（等离子体物理专业论文）辅助磁场约束非平衡磁控溅射等离子体放电特性研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文首先对磁控溅射薄膜沉积技术的发展和应用做了详细阐述。介绍了几种典型的 溅射沉积方法及它们的特点，陈述了磁控溅射技术在薄膜沉积领域的应用前景，并结合 实验中的溅射靶材料介绍了铜膜在微电子领域已经太阳能开发领用的应用。 文中介绍了一种新型的磁控溅射设备，它是在传统非平衡磁控溅射装置的基础上， 在保留了其诸多优点的前提下，将三组辅助磁铁环安装在放电室的周围，形成了对放电 室中等离子体的一种磁约束，目的是通过改变放电室中的磁场位型，来改善等离子体放 电特性。 文中利用有限元分析的方法，通过a n s y s 模拟软件，分别对传统菲平衡磁控溅射 和辅助磁场约束条件下的真空室内磁场位型做了模拟，描绘出真空室中磁通量的空间变 化通过比较二者磁场位型的区别，结合非均匀磁场对带电粒子的作用理论，分析出辅 助磁场对等离子体中各种离子的约束作用以及对等离子体放电特性的改善效果 l 锄g m u i r 探针作为一种测量等离子体参数的简单而又理想的方法被应用于实验研 究。通过伸入放电室中的l 锄肿u i r 探针，可以测量包括等离子体电位、电子温度、电 子密度、离子密度在内的许多表征等离子体的重要参数。通过对增加辅助磁场前后的上 述等离子体参数的比较分析，可以看出，辅助磁场对等离子体的约束作用可以很好地改 善等离子体参数以及它们的空间分布。通过对等离子体参数随气压的变化分析可以看出 辅助磁场约束对等离子体参数随气压的变化性质也有一定的优化作用。 同时，为了考察增加辅助磁场前后等离子体电离率的变化，实验中利用发射光谱法， 对4 7 6 4 9 i l i l l 的氩离子谱线、6 9 6 5 4 n m 的氩原子、4 5 9 6 9 i l i l l 的铜离子谱线以及5 2 1 8 2 n m 的铜原子谱线谱线做了采集，用它们的强度比的变化来定性表征等离子体电离率的变 化。通过强度比随气压变化的曲线图得出辅助磁场对等离子体电离率的提高有一定程度 的作用的结论。 关键词：辅助磁场约束；非平衡磁控溅射；l a n g 肿i r 探针；发射光谱 辅助磁场约束非平衡磁控溅射等离子体放电特性研究 s t u d i e so n d i s c h a 唱ec h a r a c t e r i s t i c so f u 1 1 b a l a i 】c e dm a g n e t r o n s p u t t e r i n g p l a s m ac o n f - m e db ya s s i s t e dm 艇叫i cf i e l d a b s t r a c t t h i sp a p e rr e c i t b s l ed e v e l o p m e n t 锄da p p l i c a t i o no ft h i nf i l i l ld 印o s i t i o nb ym a g n e t r o n s p u t t 耐n gf i r s t i y ，锄dm o d u c e s v e r a lt y p i c a ls p u 位e r i n gm e t l l o d 锄dt 1 1 e i rc h a m c t e 塔 m a 印e 们ns p u t t e r i l l gt c c l l r i o l o g ) ，a p p l i e d 洫t 量l i i lf i l i i ld c p o s i t i o n 砒l di sd i s c l i s s c d n e u t i l 妇i o no fc u 丘h i l 硒也et a r g c tm a t e r i a l ，i s 砷r o d u c e di nm i c r o e l e m n i c s 如d l 盯c e l l f i e l d an e w 帅e 删呵i c 咖ls p u 位e r i n gc o n f i g u r a l i i si r l 仃0 d u c e di i l i ep a p c r i ti sb a s e do n m ed e s i g n 锄da d v 卸t a g e so fc o n v e n t i o n a lu n b a l a n c c dm a 母l e t r o ns p l u t 劬gc o n f i 鲫t i o n t h r e e 船s i s 蜘m a g n c t i cr i n g sa r es e t u p 躺岫d 廿l ev a c u u mc h 锄b e r t h e ya r cu s e dt 0 h p r 0 v em ec o n f i g u r a t i 0 t lo fu n b a i a i l c e dm 删i cf i e l 也c o n f i n et h ep k 瞬mi i lt h ec ：i 姗b e r a n do p t i m i z eu l ec h a 致l 矧s t i c so fp l a s m a f i i l i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t 、a r en a m c da n s y si su s e dt os i i n u l a t et h em a g n e t i cf i e l d o fc 伽【v e n t i o n a l 硼l b a l 觚c c d m a g n e 仃o ns p 删嘶n g 锄d部s i s t c dm a g n c t i cc o n f i n 哪e n t m 楚皿酏r o ns p u t t e r i l l g 觚dp 1 0 tt h em a g n e t i cf i u xd i s t r i b u t i o no ft l l e m a c c o r d i n gt 0t l l e n o n u n i f o 彻m a g n e t i cf i l e du l e o 巧，t i l ec i j f 酏t so fa 豁i s t e dm a 蓦州i cc o n f m e m e n ta n d i m p f o v e m e n to fd i s c h a r g ec h 觚a c t c r i s t i ca c o n c l u d e d l 觚g m u i rp r o b e ，豳as i r n p l e 粕di d e a l 妣l l i l o l o g y ，i s 邯e dt 0m e 嬲u r cm m l yp l a 舳憾 p a r a m e t e r si i l c l u d i i l gp l 硒m as p a t i a lp o 删a l ，e l e c t l 0 nt e m p c r a t w e ，c l c c 仃0 i id e n s i 够，i o n d e n s i t y锄ds oo n c 0 m p 孤i e dw i 廿lt l l ed 乏咖i l no fc o n v e n t i o n a l啪b a l 锄c e dm a g l l e 臼 s p u 蚀o r i i l g ，a 豁i s t e dm a 雩，l e t i cf i e l dc 锄i m p r o v et h cp l 私m ap a r a m 鼬e 璐a n do p t i i i l i z et h e i r s p a t i a ld i s 仃i b u t i n e 蚰p r 0 v e m to fp l a 锄ac h 撇r i s t i c sc 觚a l b e 锄a i y z e d 矗- o mm e c m v eo fp i 枷ap a r a m e t e r sf o l l o w i n gp r e s s u r c e m i s s i o ns p e c 仃o m e 仃i cm e t h o di su s i e dt o s t t i d yi o n 妇i o nr a t i oq 谢i t a t i v e l y t l l e v a r i a t i o no fi o n 讫a t i o nm t i oc 柚b er e n e c t e d u u g ht l l ei 1 1 t e n s 时r a t i oa r + a ro fa r + i o nl m ( 4 7 6 4 9 肌) 锄d 心a t o mi i l l e ( 6 9 6 5 4 咖) 船dt i l ei n t e n s i 妙r a t i oc u + c uo fc u + i o nl i n e ( 4 5 9 6 9 啪) 觚dc ua t o ml i n e ( 5 21 8 2 n m ) t h er c s u l tt h a t 廿伦部s i s 砌m a g n c t i cf i e l dc 锄 蛐h a n c ei o n i z a t j o ni 嘶oc a nb ec o n c l u d e d k e yw b r d s ：a s s i s t c dm a g i l c t i cf i e l dc o n f i n 锄朗t ； l 肌g m u i rp r o b e ； e m i s s i o ns p e c n 。o s c o p y i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：凇出玉殳日期：迹签：i ：主 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文 作者签名：j 叠妞 导师签名：磁羔 大连理工大学硕士学位论文 己i吉 ji目 伴随着信息产业、半导体行业、新能源产业和各种功能薄膜沉积技术的飞速发展， 磁控溅射技术逐渐成为制备各种纯金属、合金和绝缘材料薄膜的重要手段之一，并被广 泛应用于军事，科研，微芯片制造以及新能源开发等重要领域。 近些年来，国内外对磁控溅射技术的研究不断深入，溅射装置也由最初的二极溅射 发展到平衡磁控溅射、非平衡磁控溅射、闭合场非平衡磁控溅射甚至i c p 增强非平衡磁 控溅射等多种构造。沉积出的薄膜性质，如均匀性、硬度、抗腐蚀性等等，也在不断提 高，以适应各种特殊领域的需要。 在以上众多的溅射方法中，非平衡磁控溅射方法已经被广泛应用于各个领域的功能 薄膜沉积过程中。然而，随着工业生产对沉积速率、靶材利用率已经薄膜性质等方面的 要求不断提高，不断有新的非平衡磁控溅射装置被开发出来，途径之一就是通过改进磁 场位型来提高等离子体放电的各项参数，从而达到提高薄膜质量的目的。jm u s i l 等人通 过附加永久磁铁的方法来改变放电室空间磁场分布n 】，用磁场约束等离子体中的带电粒 子，从而达到提高等离子体密度和电离率的目的。 本文所述的磁控溅射装置是在真空室周围附加三个磁极相间的环形磁铁，从而改变 真空室内部的磁场位型，阻碍等离子体中的带电粒子流向器壁，增加了粒子间的碰撞几 率，提高等离子体密度和电离率，从而达到提高薄膜质量的目的。 辅助磁场约束非平衡磁控溅射等离子体放电特性研究 1 溅射沉积技术的发展与应用 1 1溅射现象 具有一定能量的离子入射到固体表面上时，它将同表面层内的原子不断地进行碰 撞，并产生能量转移。固体表面层内的原子获得能量后将做反冲运动，并形成一系列的 级联运动。如果某一做级联运动的原子向固体表面方向运动，则当其动能大于表面的结 合能时，它将从固体表面发射出去，这种现象称为溅射。早在1 8 5 3 年g r o v e 发现阴极 溅射现象，从而为溅射技术的发展开创了先河。他发现在气体放电室的器壁上有一层金 属沉积物，沉积物的成分与阴极材料的成分完全相同。但当时他并不知道产生这种现象 的物理原因。直到1 9 0 2 年，g 0 1 d s t e i n 才指出产生这种溅射现象的原因是由于阴极受到 电离气体中的离子的轰击而引起的，并且他完成了第一个离子束溅射实验。到了1 9 6 0 年以后，人们开始重视对溅射现象的研究，其原因是它不仅与带电粒子同固体表面相互 作用的各种物理过程直接相关，而且具有重要的应用，如核聚变反应堆的器壁保护、表 面分析技术及薄膜制备等。 溅射和蒸发不同，溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散 射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成 级联过程。在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶 被溅射出来。 溅射的特点是：( 1 ) 溅射粒子( 主要是原子，还有少量离子等) 的平均能量达 几个电子伏，比蒸发粒子的平均动能k t 高得多( 3 0 0 0k 蒸发是平均动能仅0 2 6e v ) ， 溅射粒子的角分布与入射离子的方向有关( 2 ) 入射离子能量增大( 在几千电子伏范 围内) ，溅射率( 溅射出来的粒子数与入射离子数之比) 增大。入射离子能量再增大， 溅射率达到极值：能量增大到几万电子伏，离子注入效应增强，溅射率下降。( 3 ) 入 射离子质量增大，溅射率增大。( 4 ) 入射离子方向与靶面法线方向的夹角增大，溅射 率增大( 倾斜入射比垂直入射时溅射率大) ( 5 ) 单晶靶由于焦距碰撞( 级联过程中 传递的动量愈来愈接近原子列方向) ，在密排方向上发生优先溅射。( 6 ) 不同靶材的 溅射率很不相同口1 大连理工大学硕士学位论文 1 2 典型溅射沉积方法 1 。2 1直流溅射 溅射用的最简单的装置是直流二极溅射装置。在真空室内充以1 1 0p a 的惰性气体 ( 例如氩或氙) ，被溅射的材料作为阴极，将基片作为阳极并接地。整个系统在阴阳极 之间加上几千伏的直流电后产生辉光放电，由放电形成的正离子在电场作用下朝着阴极 ( 靶子) 方向加速，并轰击阴极。在离子的轰击下，材料从阴极上打下来( 主要是以中 性原子的形式，部分是以离子的形式) ，被溅射出来的粒子冷凝在放置于阳极的基片上 就形成薄膜。简单的直流二极溅射法可以镀金属、合金以及一些低导电性的材料，但是 不能直接镀绝缘材料。直流二极溅射法方法简单，但是有不少缺点。直流二极溅射的工 作气压较高( 1p a 左右) ，因而在真空室中残留的气体( 0 2 ，h 2 0 ，n 2 ，c o 。等等) 对于膜 层的质量影响就较大。二极直流溅射法的溅射速率也较低，这是由于二极溅射的放电方 式所决定的。二极溅射的阴一阳极间的距离通常在2 6c m 左右，距离过大沉积速率下降 太快，距离过近放电难以维持。此外，由于阴极的热辐射和二次电子的发射会引起基片 温度的升高，从而使基片产生某些性能上不可逆变的辐射损伤口1 1 2 2 射频溅射 为了镀绝缘材料需要采用高频溅射法。高频电源是采用高频振荡器产生的，通过匹 配箱( 振荡槽路) 连接在靶上。常用的高频电源频率为1 3 5 6 姗z ，每平方厘米靶面上 的功率为1 0w 。在高频溅射中，并不需要从阴极发射大量的电子来维持放电过程，在直 流辉光放电中的阴极过程在高频溅射放电中就没有什么作用。甚至没有电极，只要有高 频电场存在，电子也可以从外电场中吸收能量来产生振荡运动，电子和气体粒子的碰撞 几率大大增加，气体的电离度也就大大增加了，这样使得气体的着火点和维持辉光放电 所需的电压都有所降低，使高频溅射放电能在较高的真空度( 即较低的气压) 下进行。 利用高频溅射还可以溅射绝缘材料，这是由于在放电时电子的迁移率较大，因而比较容 易移动，既能到达靶也能到达基片及其它的接地部分。但是，正离子的质量相对地要比 电子大，因此较难移动。于是电子就积存在由绝缘体制成的靶面上，等于自动地加上了 负电压。正离子在靶面上负电位的强烈的吸引下，运动到靶面并对绝缘体的靶产生溅射 作用。这样在基底上就形成了绝缘体的薄膜。所以，在利用高频溅射法制造导电薄膜时， 一般要在靶的接线端上串联1 0 0 3 0 0p f 的电容器，使在靶面上能积累起电子产生负电 压而被溅射。由于射频电源涉及到电磁辐射的防护问题，再加上射频电源功率不能作得 太大( 目前国内只能作到1 0 1 5k w 左右) ，溅射速率较低。 辅助磁场约束非平衡磁控溅射等离子体放电特性研究 1 2 3 平衡磁控溅射 采用磁控溅射沉积技术制取薄膜是在上世纪三四十年代开始的，但在上世纪7 0 年 代中期以前，采用蒸镀的方法制取薄膜要比采用磁控溅射方法更加广泛。这是因为当时 的溅射技术刚刚起步，其溅射的沉积率很低，而且溅射的压强基本上在1p a 以上。但是 与溅射同时发展的蒸镀技术由于其镀膜速率比溅射镀膜高一个数量级，使得溅射镀膜技 术一度在产业化的竞争中处于劣势。溅射镀膜产业化是在1 9 6 3 年，美国贝尔实验室和 西屋电气公司采用长度为1 0 米的连续溅射镀膜装置，镀制集成电路中的钽膜时首次实 现的。在1 9 7 4 年，由j c h a p i n 发现了平衡磁控溅射后，使高速、低温溅射成为现实， 磁控溅射更加快速地发展起来n 】。磁控溅射又称为高速、低温的溅射技术。它在本质上 是按磁控模式运行的二极溅射。在磁控溅射中不是依靠外加的源来提高放电中的电离 率，而是利用了溅射产生的二次电子本身的作用。直流二极溅射中产生的二次电子有两 个作用：一是碰撞放电气体的原子，产生为维持放电所必需的电离率：二是到达阳极( 通 常基片是放在阳极上) 时撞击基片引起基片的发热。我们希望前一个作用越大越好( 事 实上却很小) ，而后一个作用越小越好( 事实上却很大，使基片可升温至约3 5 0 4 0 0 ) 。在磁控溅射装置中，增设了和电场正交的磁场。二次电子在这正交的电场和磁场 的共同作用下，不再是作单纯的直线运动，而是按特定的轨迹作复杂的运动。这样二次 电子到达阳极的路程大大地增加了，碰撞气体并使气体电离的几率也就增加了，因此二 次电子的第一个作用也就大大地提高了。二次电子在经过多次碰撞之后本身的能量已基 本耗尽，对基片的撞击作用也就明显地减少了。此外，在磁控溅射装置中的阳极置于磁 控靶的周围，基片并不放于阳极上而是在靶对面的处于悬浮电位的基片架上，所以二次 电子主要是落在阳极上而不是轰击在基片上。这样，二次电子的第二个作用在磁控溅射 中是大大地削弱了。总而言之，在直流二极溅射中的二次电子的作用是利小害大，而在 磁控溅射中的二次电子的作用是利大害小。在磁控溅射中正是利用了正交的磁场和电场 的作用，使二次电子对溅射的有利作用充分地被发挥出来，并使其对基片升温的不利影 响尽量地压抑下去。这就是磁控溅射之所以能成为一种实用的高速、低温溅射源的原因。 利用磁控溅射技术可以镀几乎所有的金属和合金，导体和绝缘体，并且可以在低熔点的 金属和塑料上面镀膜，而且镀膜的速度可以高达0 5 l im m i n 。 平衡磁控溅射一般在低气压( 1 0 1 0 0p a ) 、低电压( 几百伏) 下可维持放电。如 图1 1 ，在正交电磁场的作用下，电子沿磁力线作螺线式运动，与气体的碰撞电离几率 大大增加，从而提高等离子体密度；并且由于电子经多次碰撞后到达基片后变为低能电 子，避免基片温度大幅度升高。溅射靶表面闭合的磁场尤其约束了二次电子，等离子体 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 一般局限在离靶6 0f n m 的区域内。沉积薄膜时，基片放置在这个区域或不在这个区域形 成薄膜均不理想，加大基片偏压固然可以增大离子电流密度，但离子能量过高将降低膜 的性能，很难制备致密的、应力小的薄膜，尤其是在较大的或结构复杂的表面上。平衡 磁控溅射是磁控溅射技术的一个重要发明，但其缺点在于对二次电子的控制过于严密， 使等离子体被限制在阴极靶附近，不利于大面积镀膜，使其难以在工业上大范围地推广。 i 粥，c 槲豫穗d 口霸霉脚 i 搦a 悠m 他 图1 1 平衡磁控溅射 f i g 1 1 b a l a n c e dm a g n e t r o ns p u t t e r i n g 1 2 4 非平衡磁控溅射 在传统的磁控溅射系统中，靶材下方的内外磁极强度相等，磁力线经过中心磁极形 成回路，在靶表面保持闭合状态，等离子体被限制在靠近靶表面的范围内，使得高能等离 子体撞击基片的机会较少，离子流强度较低( i c d 1 m a c m 2 ) ，故靶材溅射率不高。 此外，由于缺少适当的离子轰击薄膜以改变其微结构，所得薄膜在致密度和附着力上不 够理想睛3 。非平衡磁控系统通过改变内外磁极的磁场强度，在靶表面形成不闭合的磁场， 来获得性能更佳的薄膜。 制备致密的、内应力小的薄膜，一般来说，要求到达基片的离子流密度大于2m a c m 2 ， 离子的能量小于1 0 0e v 。而非平衡磁控溅射就能满足这些要求。1 9 8 5 年，b w i n d o w 开发 了“非平衡磁控溅射”技术，非平衡磁控溅射理论的出现解决了这一难题。图1 2 为两 类非平衡磁控溅射磁场对等离子体的约束。第一类非平衡磁控溅射是内敛性非平衡，若 将外围磁极强度减弱，则部分磁力线指向真空腔内壁，辉光区减小，等离子流强度降低 ( 1 m a c m 2 ) 。该方法相对于扩散性非平衡磁控技术应用较少，其溅射率虽低，但可得到比 表面积为致密薄膜1 0 0 0 倍左右的孔状结构，且可重复性较好，主要用于制备催化剂层、 点火装置和无反射涂层m 3 。b r i e n 等一1 利用该技术制备出具有氧敏感性的多孔锆和钛涂层， 并通过多种方案发现该技术下所得涂层的结构受磁场一基片位置和基片偏压的影响较大， 辅助磁场约束非平衡磁控溅射等离子体放电特性研究 受靶一基距影响较小。第二类非平衡磁控溅射是扩散性非平衡，即外围磁极强度高于中 心磁极强度。等离子体在磁梯度压强的作用下扩散到基片表面，到达基片的离子流密度 大大增加，基片和薄膜受粒子撞击并被加热，减少了所得薄膜的内应力，提高了薄膜的致 密度；同时也减少电子到达器壁所造成的电子损耗，从而电子与工作气体之间的碰撞电 离几率大大增加，提高了等离子体密度随。10 1 。 晒爨钠黼僦懿f 绱舒 嘎r l t 碧隗嗽 2 翻辫一漱魄魄徽醐 獭钠貔蛰l r 铷 l 铙鹣e 默拌磬鼢td 謦觳| 霪撞y 耋- 1 0 狂氮茂翔：m 2 掌y 辨2 蜘b 椭艮d 醚羁g ：n i 眵蛳 霸 图1 2非平衡磁控溅射磁场对等离子体的约束 1 3 溅射沉积的应用以及沉积铜膜的用途 1 3 1溅射沉积的应用 目前，溅射沉积的应用非常广泛，在过去的十几年里发展迅速，现在它已经成为在 工业上进行广泛的沉积覆层的重要技术。正是近来市场上各方面对高质量薄膜日益增长 的需求促使它不断地发展。 在微电子制造及加工工艺中，沉积金属薄膜最常用的方法有真空蒸发镀膜法、电弧 离子镀法和磁控溅射镀膜法等。真空蒸发镀膜要考虑到加热器材料和蒸发材料，即要使 用的加热器材料不能与薄膜材料形成合金，否则就要降低加热器的使用温度，这样就会 限制所镀薄膜材料的选择；真空蒸发镀膜过程实质是一种非平衡过程，需要的蒸发源有 大连理工大学硕士学位论文 高频感应蒸发源、激光束蒸发源等，但由于适用条件有一定的限制，目前还未在工业中 广泛应用。电弧离子镀不但具有效率高、操作成本低的优点，还具有沉积物种电离度高 的优点，但伴随着其中的大颗粒( 1 o 1 0 0 啪) 成为阻碍这一技术应用于高技术领域 的最大障碍。为了滤除大颗粒，人们采用了两种措施：一是改变磁场分布以提高弧斑在 阴极表面运动速度来减少大颗粒的产生，但这无法从根本上解决大颗粒存在的问题；另 一种措施是施加弯曲磁场来过滤大颗粒，但这从另一方面又引来许多负面影响：l 、效 率降低；2 、输出工作面积下降；3 、成本大幅度上升n 卜n 】。 在许多方面，磁控溅射薄膜的表现都比由物理蒸发沉积制成的要好n 铂。一是靶材成 分不会改变。这种特征的直接益处就是有利于合金膜和绝缘膜的沉积，合金是很难用蒸 发的方法沉积的。在给定温度时，各种元素的蒸发速率不同。当一种合金，例如镍铬耐 热合金，在蒸发的时候镍和铬就以不同的速率各自蒸发。这样的话，沉积在基片上的膜 层成分就和原金属的成分不同了。 阶梯覆盖度也可以通过溅射来改良，蒸发来自于点源，而溅射来自平面源。因为金 属微粒是从靶材各个点溅射出来的，所以在到达基片台时，它们可以从各个角度覆盖基 片表面。阶梯覆盖度还可以通过旋转基片和加热基片得到进一步优化。 溅射形成的薄膜对基片表面的黏附性也比蒸发工艺提高很多。首先，轰击出的原子 在到达基片表面时的能量越高，因而所形成薄膜的黏附性就越强。其次，反应室中的等 离子体环境有清洁基片表面的作用，从而增强了黏附性。因此，在沉积薄膜之前，先对 基片表面溅射一小段时间，可以提高黏附性和表面清洁度。 溅射最大的贡献恐怕就是对薄膜特性的控制了。这种控制是通过调节溅射参数达到 的，包括压力、薄膜沉积速率和靶材。通过多种靶材的排列，一种工艺就可以溅射出像 三明治一样的多层结构。 而且在同样的功能下采用磁控溅射制得的薄膜能够比采用其它技术制得的厚。因 此，磁控溅射技术在许多应用领域包括制造硬的、抗磨损的、低摩擦的、抗腐蚀的、装 潢的以及光电学薄膜等方面具有重要的影响。 一般根据不同的使用范围来选择，并应用到了很多领域，如微电子技术和光电子技 术中的光电器件，化学化工、轻工等领域也应用颇多就所能沉积薄膜材料的结构而言， 溅射沉积可以制各单晶膜、多晶膜及非晶膜；就薄膜材料的性质来说，溅射沉积可以镀 制光、电、声、热、磁或优良力学性能的各种功能材料薄膜。 辅助磁场约束非平衡磁控酸射等离子体放电特性研究 1 3 2 沉积铜膜的用途 制备铜膜的技术以往一般被应用于传统的金属表面处理，来改善金属表面性能，如 提高其耐腐蚀性等。而近年来随着半导体甚大规模集成电路( u l s i ) 的不断发展，铜膜 在微电子领域也得到越来越广泛的应用。 在超大规模集成电路( v l s i ) 发展之前，主要的金属化工艺材料就是纯铝。从导电 性能的观点来看，铝的导电性能要比铜和金差一些。因此，早期的金属化结构曾使用过 金，但是由于它与硅的接触电阻很高，因此需要一个铂中间层，并且其顶部需要加入一 层钼金属来克服其柔软性。如果直接使用铜作为铝的取代物的话，首先，它同硅有很高 的接触电阻，其次，如果它进入器件区的话，会降低器件性能。而铝则不具有上面所说 的问题，因而成为一种较好的选择。它的电阻极低n 司( 2 7l iq c m ) ，有很好的电流负 载能力。它对硅氧化物有很好的黏合性，有很高的纯度并且同硅有很低的接触电阻，并 且易于光刻。 随着u l s i 中元件的不断缩小，要求集成度和工作频率不断提高及线宽减少，对多层 布线中内连导线的热稳定性、机械强度等要求也越来越高n 包1 7 1 对集成电路集成度和可 靠性的要求越来越高，而引线材料是影响半导体集成度的一个重要因素。特别是当元件 的最小线宽小到0 1 5 啪以下时，电流密度会大大增加，金属连线的电迁移效应成为主 要问题，随之而来的连线的阻值和电容也不能忽略，这样就要求我们找到一种阻值更低 的金属来取代现在集成电路中一直使用的金属铝。铝、铜及其合金常用作集成电路的地 线和内边导线。虽然铝材容易获得，且价格低廉，工艺成熟，但由于其电阻率较大的限 制及铝引线在高温大电流下工作时，由于易电迁徙而容易导致元器件失效n 蝴1 ，已经不 适应集成电路的发展。通过沉积含铜o 5 - 4 的铝铜合金或含钛0 1 - o 5 的铝钛合金以 防止电迁移问题。但是，使用铝合金的缺点是增加了沉积设备和工艺的复杂性，以及造 成了不同的刻蚀率，同时和纯铝相比，它也增加了薄膜的电阻率。增加的幅度因合金成 分和热处理工艺的不同而异，通常多达2 5 - 3 0 9 6 。 与铝相比，铜具有电阻率低( 电迁移率小，其电阻率也比a 1 小，仅有1 7 i lq c m ) 、 导热性好、热膨胀系数小和熔点高等特性，有利于提高电路的工作频率和抗电迁移能力， 这使人们的兴趣重新转向了铜这种导体。采用先进的c u 布线工艺，不但使器件的集成度 大大提高，而且使器件的寿命延长。被认为是最有希望成为超大规模集成电路等元器件 使用的金属材料乜1 一。然而，使用铜也由很多缺点，例如，缺乏学习曲线、刻蚀问题、 铜还容易划伤、腐蚀，还需要隔离金属来防止铜进入硅片之中。尽管如此，c u 膜作为 引线材料在国际上已经出现，i 阴，还有紧随其后的m o t o r 0 1 a ，都在1 9 9 8 年就宣布了基 一8 一 于铜技术的器件制造的可行性。因此，c u 膜材料制备和在v l s i 、u l s i 器件互连中的应 用技术是近年金属化研究中的热点之一，虽然c u 互连在s i 器件中的实际应用还有许多 困难，但随着布线工艺水平的提高，c u 必将成为超大规模集成电路引线的主要材料。 沉积铜膜的另一个重要用途是太阳能的开发和利用领域。随着人类对资源的需求不 断扩大，地球上的不可再生能源已经不足以满足人类发展的需要。而太阳能作为一种重 要的、有效的、可再生清洁能源，其储量巨大，取之不尽，用之不竭，没有环境污染， 逐渐成为人类发展的重要能源 光伏产业作为太阳能产业的一个重要分支，其发展已经得到世界各国政府的高度关 注及政策倾向。光伏效应是将太阳能通过太阳能电池，转换成电能，这种光电转换主要 借助于半导体器件的光生伏特效应进行，应用于空间站、人造卫星以及遥远地区的供电、 输油输气管路的保护等方面，并且已经建成太阳能电站以并网发电。 自2 0 世纪5 0 年代发明硅太阳能电池以来，人们为太阳能电池的研究、开发与产业化 做出了很大努力。研制成功的太阳能电池已达1 0 0 多种。5 0 年代的硅电池、6 0 年代的g a a s 电池、7 0 年代的非晶硅电池、8 0 年代的铸造多晶硅电池和9 0 年代一化合物电池的开 发和应用，构成了太阳能光电材料和器件发展的历史脚印。 世界上绝大部分的太阳能光电器件是用晶体硅制造的。其中，单晶硅太阳能电池是 最早被研究和应用的，至今，它仍是太阳能电池的主要材料之一。近些年，铸造多晶硅 以其较简单的工艺复杂度、较低的成本和较高的光电转化效率，逐渐取代了单晶硅太阳 能电池，成为市场份额最高的太阳能电池材料嘲。然而，到目前为止，太阳能光电工业 基本是建立在硅材料的基础之上的。这对太阳能产业的发展来说是一个很大的障碍，因 为硅元素在地壳中的含量虽然很高，仅次于氧排第二位，但是可供提纯的硅矿却还是有 限的，我国半导体产业所需要的晶体硅目前主要靠进口，这在某种程度上极大地限制了 我国太阳能电池产业的发展。尤其是最近的硅原料价格的上涨，对我国半导体产业形成 了很大的冲击。 鉴于以上问题，目前太阳能电池研究的重点逐渐转向了第二代太阳能电池材料 化合物半导体材料。其中，三元化合物半导体c u i n s e ：( c i s ) 薄膜材料是一种重要的太 阳能光电材料。这种薄膜材料的光吸收系数较大，达到1 0 6 c m - 1 ，光电转换理论效率可以 达到2 5 一3 0 ；而且只需要卜2l lm 厚的薄膜就可以吸收9 9 以上的太阳光，再加上它可以 沉积在玻璃衬底上，从而可以大大降低太阳能电池的成本。因此，它是一种具有良好发 展前景的太阳能光电材料。 辅助磁场约束非平衡磁控溅射等离子体放电特性研究 在制备c i s 薄膜材料时的一个重要的工艺步骤就是在衬底上利用磁控溅射的方法沉 积一层c u 、i n 、g a 元素分布合理的薄膜层，其薄膜的均匀性、成份配比等性质对太阳能 的吸收系数有很大的影响。 目前对于铜膜的研究，华南理工大学的姚若河等人用磁控溅射法制备了c u 膜伽，并 研究了薄膜结晶度与溅射功率的关系。k i m d h 等人测量了低压化学汽相淀积铜膜的 特性，随着膜厚度增加，表面粗糙度增大，反射性能变差曲1 。茅敦民等人分析了激光化 学气相沉积制备铜膜的性能和形态汹1 ，陈先带等人对集成电路布线工艺过程中引入的应 力进行了测量，通过调整c u 薄膜和s i q 的厚度，使它们对s i 衬底引入的应力最小，这对集 成电路引线工艺的可靠性问题有一定的指导意义踟。杨杰等人研究了用三种不同方法在 硅基底上沉积铜膜的结构特点及真空退火时的结构变化啪1 1 4 本工作的目的意义和研究内容 本工作提出了在辅助磁场约束的情况下非平衡磁控溅射等离子体沉积技术。通过在 真空室周围增加三组环形永磁铁，来改变真空室中的磁场位型，约束等离子体中的粒子， 使粒子间碰撞增多，等离子体电离率增强，密度增大，为沉积优质的铜膜提供一个良好 的等离子体环境。 针对本实验的目的，围绕以下几点开展了工作： 1 利用有限元分析的方法，分别对传统非平衡磁控溅射和辅助磁场约束非平衡磁控 溅射放电室空间的磁场分布做了模拟，并对二者做了比较分析。研究了真空室中的电场 和磁场对带电粒子的作用，说明了增加的辅助磁场对等离子体中粒子的约束作用。 2 用l a n g u i r 探针测量了放电室中的等离子体参数，分别对不同位置、不同气压 进行了测量。通过实验对该放电系统中的电子密度、电子温度及激发态粒子浓度以及它 们的空间分布等进行研究，分析了放电室内等离子体的分布情况及磁场分布对等离子体 的影响，并与现有技术上的相应参数进行对比。 3 用发射光谱法对放电室空间氩的发射光谱进行了测量，通过观察离子与原子的 光谱强度比的变化来定性分析磁场和气压的变化对放电室中等离子体电离率的影响。 2 辅助磁场约束非平衡磁控溅射放电等离子体的产生装置 2 1设计思想 非平衡磁控溅射是薄膜制备的重要方法，已经成为一个重要的研究领域，对其的优 化和改进也是层出不穷。通过在真空室周围增加磁铁的方法来改变真空室中的磁场位型 在文献中已有报道。jm u s i l 等人在溅射靶上方附近增加了一组磁极相同或相反的永磁 铁来约束等离子体，如图2 1 所示。并分别对两种情况下等离子体的放电性质以及溅 射靶的利用率做了细致研究。在其基础上，我们在真空室周围安装了三组磁极相间的永 磁体环，形成三组辅助磁场，将非平衡磁控溅射系统磁场与辅助磁场有机结合在一起， 以形成一种高等离子体密度、高电离率的磁控溅射技术。 i i i - _ - i i j 1 1 1 1 i l 蛔l i r _ - i i c 口_ f i 暑n t i 口_ i f i l i l i l _ l1 1 2 _ e t l 1 1 t l i - i i 啊，l i _ 盯lt l ii i t ，o t i - i t 图2 1附加磁场等离子体约束装置示意图( a ) 相问磁极( b ) 相同磁极 f i g 2 1s c h e m a t i ci l i u s 仃锄i o no fc i r c u l 盯p l 柚a rm a g n e 仃o nw i lm ea d d i t i o n a lp l 丛m ac o i l f - m e r 鹏n t ( a ) a l t e m a t i i l g p o i 撕t y 觚d 嘞t l l es 锄ep o l a r i t y 董詈 詈薹 辅助磁场约束非平衡磁控溅射等离子体放电特性研究 2 2实验装置及磁场分布 2 2 1实验装置 本实验装置如图2 2 和2 3 所示，该设备由电源系统、操作系统、冷却系统、真空 系统及测量控制系统等组成，电源系统为m s 1 0 型磁控溅射电源，真空系统为f 一1 0 0 1 1 0 型涡轮分子泵及2 x z 一2 型旋片真空泵，测量控制系统包括l a n g m u i r 探针，探针电源， 单色仪，c c d 和计算机。如图2 3 中所示，1 为形成非平衡磁场的永磁铁，其外围磁场 强度大于中心磁场强度；2 为形成辅助磁场的三组磁铁环，用来约束等离子体中的粒子， 每组磁铁环的表面磁感应强度均为0 3 t ( n d f e b ) ，它们之间的间隔为4 c m ，最上面 一组磁铁环与溅射靶之间的轴向距离也为4 c m ，也就是说磁铁环与靶之间的轴向距离分 别为4 c m 、8 c m 和1 2 c m ；3 为铜溅射靶，直径8 c m ，纯度为9 9 9 9 ；4 为l a n g m u i r 探针； 5 为凸透镜；6 为光纤探头；7 为机械泵和真空泵组。 图2 2 实验装置实物图 f i g 2 2 r e a ld i a g r a mo ft h ee x p e r i m e n t a ls e t u p 图2 3 实验装置示意图 f i g 2 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ee x p e r i m e n t a ls e t u p 整个放电室的高为1 8 c m ，直径为1 6 c m ，被石英玻璃桶围成。通过机械泵和涡轮分 子泵将放电室抽至3 o 1 0 。3 p a 的真空度，用质量流量控制器来控制通入真空室中氩气的 流量，进而将真空室的辉光放电气压维持在0 1 p a 1 0 p a 之间。由直流电源向溅射靶上 施加一负电位，作为放电的阴极，实验中我们将溅射电流保持在0 2 a 不变。放电功率大 约为8 0 w 左右。等离子体参数可以通过l a n g m u i r 探针获得，探针扫描电压由探针电源提 大连理工大学硕士学位论文 供。通过上下移动l a n g 叫i r 探针来改变探针在真空室中的轴向位置，从而可以获得放电 室中等离子体各项参数的轴向分布情况；通过旋转l a n g l n u i r 探针，可以使探针在径向上 发生位置变化，从而可以测量放电室中等离子体各项参数的径向分布数据。放电室中的 光谱信息经凸透镜汇聚在光纤探头上，由光纤传输至单色仪，经单色仪中的光栅分光后 被c c d 收集并将数据传输给计算机进行分析。 2 2 2 外磁场的选择 磁控溅射中溅射靶附近的磁场分布以及放电室内的磁场分布是溅射设备中非常重 要的磁场的分布决定着对靶材的利用率和整个真空腔体内的等离子体的分布，从而影 响到所制备薄膜的沉积速率和均匀性。磁控溅射磁场用一种非平衡磁场分布，用永久磁 铁来产生。由于磁场强度随空间距离的平方进行衰减，所以要求内磁铁与外磁铁的距离 不能过大。同时需要考虑磁场分布在径向上的均匀性，以有效利用溅射靶。在平衡了两 方面的要求后，选取一合适的值。为了达到非平衡效果，必须有效计算外磁铁与内磁铁 的磁通量差。在选定了磁铁分布后，就可以确定磁控溅射靶的尺寸 外加辅助磁场的引入要考虑到以下条件：一是要保证引入的辅助磁场与靶上方的非 平衡磁控溅射的非闭合磁场有机结合，得到一个非平衡磁控溅射的多极会切磁场；二是 辅助磁场要有效的约束等离子体。这样形成的磁场位形使溅射产物具有高的定向流动 性。 在放电室中，需要形成一近似的无磁场区，从而保证在这个区域里放电等离子体空 间分布的均匀性，这一点对于形成均匀高质量的薄膜是非常重要的。而样品台的尺度应 该小于这一区域，以保证成膜的均匀性。 2 2 3 随空间缓变磁场中粒子受力分析 考虑一个沿z 方向缓变增强的轴对称磁场嘲，如图2 4 所示。 图2 4 沿z 方向缓变增强的轴对称磁场 f i g 2 4s 1 0 w l yv a r y i n ga x i s y 内m 硎cm 楚，l e t i cf i e l de n h 勰c e da l o n gz 辅助磁场约束非平衡磁控溅射等离子体放电特性研究 带电粒子在磁场中的运动方程为 朋空：而雪 ( 2 1 )，竹= 口1 ，口k z 1j 讲 在柱坐标系中，沿z 轴方向粒子受力为 e = 一一耳 ( 2 2 ) 由于离子和电子回旋方向相反，对于离子 0 。记1 1 ，口i = h ，则 e = 怫上耳 ( 2 3 ) 在柱坐标系中写出麦克斯韦方程v 丑= 0 ，有 v b = 吾昙) + 吾品岛+ 丢也= o c 2 削 ro rro 移磁 由于轴对称，简化为 ! 昙) + 譬：o ( 2 5 ) r 导似，弦= 一r ，争 由于b 缓变，在一个拉莫轨道截面上罢近似不变，并且譬罢， 宓宓庞 最后得到 毋= 一罢 ( 2 6 ) 于是由( 2 6 ) 式， ( 2 7 ) e ：一抽上，c 罢 ( 2 8 ) 可以看到，在非均匀磁场中，凡是具有与z 轴方向垂直的速度分量的带电粒子都受到一 个与磁场梯度方向相反的力。 2 2 4 磁场空间分布模拟 本文中，我们利用有限元分析的方法分别对传统非平衡磁控溅射和辅助磁场约束非 平衡磁控溅射的磁场分布做了模拟。 有限元分析( f e a ) 是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。 它是上世纪5 0 年代首先在连续体力学领域飞机结构静、动态特性分析中应用的一 大连理工大学硕士学位论文 种有效的数值分析方法，随后很快广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续 性问题。f e a 是将物体划分成有限个单元，这些单元之间通过有限个节点相互连接，单 元看作是不可变形的刚体，单元之间的力通过节点传递，然后利用能量原理建立各单元 矩阵；在输入材料特性、载荷和约束等边界条件后，利用计算机进行物体变形、应力和 温度场等力学特性的计算，最后对计算结果进行分析，显示变形后物体的形状及应力分 布图。常用的f e a 软件主要有德国的a s k a 、英国的p a f e c 、法国的s y s t u s 、美国的a b q u s 、 a