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东北大学硕士学位论文摘要 矩形平面靶磁场分析及薄膜厚度模拟 摘要 磁控溅射镀膜是工业镀膜生产中最主要的技术之，尤其适合于大面积镀膜生产。 生产中需特别关注靶材利用率、薄膜厚度均匀性、沉积速率以及溅射过程稳定性等方面 的问题，其根本在于整个系统的优化设计，靶磁场的设计则是其中的关键环节，而薄膜 厚度分布又是影响薄膜性能的重要参数，因此相关问题的研究将具有重要的学术和实践 价值，本论文所做的具体实验研究工作如下： ( 1 ) 在现有的i t o 镀膜玻璃生产线基础上，为了解决刻蚀不均匀造成靶材利用率 低的问题，通过标量磁位法建立了计算矩形平面磁控靶磁场分布的数学模型，对计算区 域作了简化处理，用a n s y s 有限元软件进行了磁场分布的模拟，系统分析了结构参数 对靶面磁场均匀性和强度的影响，得出两种改进的磁钢排布结构，改进的无导磁片的结 构和改进的有导磁片的结构，其在磁场强度及均匀性方面都优于现有结构。而改进的有 导磁片的结构能有效提高靶面刻蚀均匀性，增加靶面横向刻蚀区域的宽度，缩小端部磁 场与中部水平磁场之间的差别，消除“端部效应”，进而“相对”延长靶的寿命。实验 验证了这一结果。 ( 2 ) 基于f j l 5 6 0 c 1 1 型超高真空磁控与离子束联合溅射系统，通过对膜厚分布建 模并进行计算机模拟计算，建立了薄膜厚度分布与靶基距关系的模型。根据计算及分析 可知，靶基距是影响薄膜厚度均匀性的重要参数，在一定范围内，随着靶基距增大，薄 膜厚度均匀性有提高的趋势。本人采用直流溅射方法制各n 膜，并用椭圆偏振仪对制 备的样品进行厚度测量，发现增大靶基距，薄膜厚度相对偏差减小。计算结果与实验结 果较为一致。 关键词：磁控溅射；磁场；有限元模拟；薄膜；厚度均匀性；靶基距。 u 垄! ! 查兰堡茎堡笙墨 ! ! ! ! ! ! ! ! t h e m a g n e t i c f i e l da n a l y s e so fr e c t a n g u l a rp l a n a rt a r g e ta n d t h e s i m u l a t i o no ff i l mt h i c k n e s s a b s t r a c t m a g n e t r o ns p u t t e f i n gh a sb e e nd e v e l o p e da so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g yi n i n d u s t r i a lc o a t i n g ，e s p e c i a l l yf o rl a r g ea r e ad e p o s i t i o n t h ep r o d u c t i o ns h o u l de s p e c i a l l yp a y a t t e n t i o nt os u c ha s p e c t sa sd e p o s i t i o nr a t e ，p r o c e s ss t a b i l i t y , f i l mt h i c k n e s su n i f o r m i t ya sw e l l a st h eu t i l i z a t i o nr a t eo f t a r g e tm a t e r i a l sw h i c hn e e dt h eo p t i m i z e dd e s i g no fw h o l es y s t e ma n d t a r g e tm a g n e t i cf i e l dd e s i g ni st h ek e y , w h i l ef i l m st h i c k n e s sd i s t r i b u d o nw i l le f f e c t t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h et h i nf i l m s ，s or e s e a r c h e si nt h e s ef i e l d sw i l lh a v ei m p o r t a n ta c a d e m i c a n dp r a c t i c a lv a l u e s 砌c o n c r e t ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw o r kt h i sp a p e rd o n ei sa sf o l l o w s ： o nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n gi t oc o a t i n gg l a s sp r o d u c t i o nl i n e ，i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e mo fi n h o m o g e n e o u se r o s i o no ft h et a r g e ta n dt h el o wl i f e o ft h et a r g e tm a t e r i a l ， e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et a r g e tm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni nr e c t a n g u l a r p l a n a rm a g n e t r o nt h r o u g ht h es c a l a rm a g n e t i cp o t e n t i a ll a w , s i m p l i f i e dt h ec a l c u l a t e dr e g i o n ， s i m u l a t e dt h em a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o nw i t ha n s y sf i n i t ee l e m e n ts o r w a r e ，a n d s y s t e m i c a l l ya n a l y z e dt h ei n f l u e n c e so fs t r u c t u r ep a r a m e t e r so nt h em a g n e t i cf i e l do nt a r g e t s u r f a c e ，i n c l u d i n gu r t i f o r m i t ya n di n t e n s i t y a tl a s t ，t w om o d i f i e ds t r a e t r r e sw e r ed e s i g n e d ， a n dt h ee x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h en e ws t r u c t u r e s ，b e a e rt h a nc u r r e n to r l eo nb o t hm a g n e t i c f i e l di n t e n s i t ya n du n i f o r m i t y w h i l et h es h u n ts t r u c t u r e ，c a na v o i dt h ea n o m a l o u ss p u t t e r i n g i nc u r r e n tt a r g e ta n dt h e ni n c r e a s et h et a r g e tl i f er e l a t i v e l y f u r t h e r m o r e ，t h es h u n ts t r u c t u r e c a ni n c r e a s et h ew i d t ho fe r o s i o n 戳aa n dc a na v o i dt h ec r o s s - c o r f l e re f f e c t 豇掉e x p e r i m e n t c o n f i r m e dt h i sr e s u l t b a s e do nt h ef j l 5 6 0 c 1 1u l t r a h i 曲v a c u u mm a g n e 订o n 、v i t hi o nb e a mu n i o ns p u t t e r i n g s y s t e m ，w ep r e s e n t e dam o l d t os i m u l a t et h ef i l mt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n ，a n de s t a b l i s h e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nf i l mt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o na n dt h et a r g e t s u b s u m ed i s t a n c e ，t h u st h e s u p e r i o rt h i nf i l mu n i f o r m i t yc o u l db ea c h i e v e db ya d j u s t i n gt a r g e t - s u b s t r a t ed i s t a n c e a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i sw ek n o wt h a tt h et a r g e t - s u b s t r a t ed i s t a n c ei sam a j o r f a c t o rw h i c ha f f e c t st h et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o no f t h ed e p o s i t e df i l m s i nt h ec e r t a i ns c o p e ，f i l m t h i c k n e s su n i f o r m i t yh a se n h a n c e dw i t hi n c r e a s i n gt a r g e t - s u b s t r a t ed i s t a n c e t i t h i nf i l mw a sm a d eb yd cs p u r e t i n g a n dd e t e c t e dw i me l l i p t i c a lp o l a r i z a t i o n m e a s u r e m e n t w ed i s c o v e r e dt h a tt h er e l a t i v ed e v i a t i o no ff i l mt h i c k n e s sw a sr e d u c e da s i n c r e a s i n gt a r g e t - s u b s t r a t ed i s t a n c e ，n l ec o m p u t e rs i m u l a t e dr e s u l t ss h o w e dg o o da g r e e m e n t i i i 东北大学硕士学位论文 、“t i le x p e r i m e n t a lo n e s k e yw o r d s ：m a g n e t r o ns p u t t e r i n g ；m a g n e t i cf i e l d ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ；t h i nf i l m s ； t h i c k n e s su n i f o r m i t y ；t a r g e t - s u b s t r a t ed i s t a n c e 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：匆吊夯 日 期：如j 、珥 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 磁控溅射已发展成为工业镀膜生产中最主要的技术之一，在批量镀膜生产中特别关 注靶材利用率、膜层均匀性、沉积速率以及溅射过程稳定性等方面的问题。在磁控溅射 镀膜设备中，采用的是不均匀的磁场，因此会使等离子体产生局部收缩效应。同时，会 使靶上局部位置的溅射刻蚀速率极大，其结果是在较短时间内靶上就会产生显著的不均 匀刻蚀，靶材的利用率一般仅在2 0 3 0 。为了提高靶材的利用率，人们采取了各种 各样的措施，如改善磁场形状及分布、使磁铁在阴极内部移动等等。因此，磁场的分析 研究十分重要，相关问题的研究将具有重要的学术和实践价值。 如何提高膜层的均匀性是磁控溅射镀膜工艺研究的重点之一。膜层的厚度分布是影 响薄膜性能的一个重要的因素。在光学薄膜、电学薄膜、特别是一些大面积溅射薄膜的 应用中，对薄膜的厚度分布、均匀性有着严格的要求，因此，对于薄膜厚度分布和均匀 性进行研究是十分有意义的。 本文在现有磁控溅射i t o 薄膜生产线和工艺的基础上，根据现有设备及工艺存在的 问题，通过模拟计算，得出靶结构中磁场的设计原则，最终给出两种优化的磁钢排布结 构，解决了目前生产中的实际问题：同时，对于f j l 5 6 0 c l l 型超高真空磁控与离子束联 合溅射系统，通过分析研究及计算模拟，建立了膜厚分布与靶基距的理论计算模型，通 过实验验证，理论与实验基本吻合。 1 2 课题的研究现状 1 8 4 2 年格洛夫( g r o v e ) 在实验室中发现了阴极溅射现象f l j 。他在研究电子管阴极腐蚀 问题时，发现阴极材料迁移到真空管壁上来了。但是，真正应用于研究的溅射设备至f j l 8 7 7 年才初露端倪。以后7 0 年中，由于实验条件的限制，对溅射机理的认知长期处于模糊不 清状态，所以，在1 9 5 0 年之前有关溅射薄膜特性的技术资料，多数是不可靠的。1 9 世纪 中期，只是在化学活性极强的材料、贵金属材料、介质材料和难熔金属材科的薄膜制各 工艺中，采用溅射技术。1 9 7 0 年后出现了磁控溅射技术，1 9 7 5 年前后商品化的磁控溅射 设备供应于世，大大地扩展了溅射技术应用的领域。到y 8 0 年代，溅射技术才从实验室 应用技术真正地进入工业化大量生产的应用领域。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ：蓉显心+ 健鼍子j r l t 矗槽变化膏子麓爻健鼍子r t 图1 1 粒子与固体表面的相互作用 f i g 1 1 t h ei n t e r a c t i o no f p a r t i c l e sa n ds o l i ds t l l 1 j a c e 磁控溅射在等离子体产生、维持以及效率方面与其它技术相比都有了很大的改进： 它能够有效降低靶室的工作压力( 例如0 i p a 甚至更低) 和靶的工作电压，提高膜层的沉 积速率，降低基片温度，减小等离子体对膜层的破坏。在许多情况下，用它制备的薄膜 特性远优于用其它物理气相沉积方法制备的薄膜，因此特别适合于大面积镀膜生产。目 前，由于磁控溅射镀膜技术可在低压、低温下以较大的速率制备薄膜，而且制备的薄膜 致密、结合力好，因此广泛应用在透明导电膜、超硬镀膜、抗腐蚀镀膜、磁性镀膜、建 筑玻璃镀膜、光学镀膜以及装饰用镀膜等诸多领域，已经成为工业镀膜生产中最主要的 技术之一。 1 2 1 靶设计的研究现状 磁控溅射技术不断提高的需求，迫使人们改进已有的甚至改造全新的溅射仪器。许 多研究已经发现，磁控阴极产生的磁场的大小和方向分布以及由以上因素决定的等离子 体特性是至关重要的。增加磁场均匀性能够增加靶面刻蚀的均匀性，提高靶材利用率， 从而延长靶材的寿命；同时，合理的电磁场分布还能够有效提高溅射过程的稳定性，因 此这些参数的计算与测量将是十分必要的。为了能预见性的处理和配置放电空闯的磁 场，人们作了大量理论结合实验的工作。 为了克服平面磁控溅射靶利用率低的缺点，人们作了许多的尝试。例如让磁钢沿着 靶面来回运动，由磁钢产生的磁场也将在靶面来回运动，使电子跑道扩展【2 卅，整个靶 面都能被刻蚀，提高了靶材的利用率，如图1 2 。但这样做使得系统结构的复杂性增加 了，操作起来也比较困难。 2 吣r 哪即嗡 廖霪廖澎 也嚏弋警、激 锄 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 ，2 标准阴极法和移动磁铁法的比较 f i g 。1 2c o m p a r i s o no f s t a n d a r dc a t h o d ea n dm o v em a g p f r a c h 等人【5 l 提出了一种双环靶( d o u b l e r i n gr a g n e t r o ns p u t t e r i n gs o u r c e s ) 结构，如图1 3 所示。该结构是在靶内采用两组磁铁，每个磁铁的内侧和外侧磁极极性不 相同，这样每组磁铁在靶表面都会形成一个刻蚀环，最后靶表面出现了两个刻蚀环，不仅 能提高靶材的利用率，而且还能提高沉积薄膜的膜厚均匀性。 图1 3 双环磁控溅射靶 f i g 1 3d o u b l e - r i n gm a 鲫e 仃o ns p u t t e r i n gs o u r c g $ 1 基片2 等离子体罩3 法兰4 内磁铁5 乡h 磁铁6 靶 s o l e r a s 公司的“分流设计”( s h u n t e dd e s i g n ) 6 1 如图1 4 所示，通过在靶和磁 极之间定位置处放置一定形状的高导磁率薄片，使得靶面附近的磁场分布更加均匀， 提高了靶材利用率，延长了靶的寿命，并使溅射过程更加稳定。但这种设计会降低靶面 处的水平磁场强度，溅射速率也会有所下降；同时，导磁片结构参数和安装位置的确定 也有一定的难度。 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( a ) 未采用“分流设计”( b ) 采用“分流设计” 图1 4 未分流和分流两种设计的比较 f i g , 1 4c o m p a r i s o no f u n s h t m t e dd e s i g na n ds h u m e dd e s i g n s o l e r a s 公司还提出了一种“表面增强剥蚀”( s u r f a c ep r o f i l i n ge n h a n c e m e n t ) 技 术【6 】，如图1 5 所示，通过事先在靶面上刻蚀一定形状的沟槽来提高靶材溅射的均匀性， 同时整个溅射过程也变得更加稳定。另外，研究发现，预先在靶面上刻蚀一定形状的沟 槽可以有效降低放电电压和工作压力并使得整个溅射过程中的i v 特性交得十分稳定。 不足之处是提高了成本，并且不同设备之间靶材的通用性不好。 一射前的靶面射最前免面 a 没有采用该技术b 采用了该技术 图1 5 表面增强剥蚀技术 f i g 1 5 s u r f a c ep r o f i l i n ge n h a n c e m e n tt e c h n o l o g y 为了消除磁控溅射的缺点，人们改进已有的甚至构造全新的溅射仪器。1 9 8 5 年， w i n d o w 等人【7 j 首先引入了“非平衡磁控溅射”( u n b a l a n c e dm a g n e t r o nc a t h o d e ，u b m ) 的概念，并给出了非平衡磁控溅射平面靶的原理性设计。它与传统的磁控溅射设备结构 不一样，所谓的“非平衡磁控”是指通过磁控溅射阴极的内、外两个磁极端面的磁通量 不相等。见图1 6 ( 鸯、f o ) 、( e ) 。“非平衡磁控”中阴极“冗余”磁力线会将一些原本局 限在靶前等离子体区域的二次电子拉向基片附近，在基片附近区域产生电离区域，基片 上的薄膜往往会受到离子轰击，薄膜的一些特性会因此发生显著改变。 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 、鳝一 0 ， 图i 6a 平衡、b 非平衡和c 外加电磁线圈的磁控装置示意图 f i g 1 6t 妇e so f m a g n c t r o ne o n f i g u r a f o m ( a ) c m ；( b ) u c m ；( c ) m a g p r a x a i rm r c 的“r e a l i t y ms p u t t e r 陆g c t ，技术【6 1 ，通过优化设计能将靶材利用率提 高3 0 。其中“环状增强铝合金靶 ( r i n g e n h a n c e da l u m i n u ma l l o yt a r g e t ) 是一种圆形靶， 它是通过研究普通靶的刻蚀形貌而设计出来的。实验证明该靶与普通靶相比在溅射速 率、膜层均匀性和靶材利用率等方面都具有相当的优势。在图1 7 中还提出了一种新的扩 散结合( d i f f i a s i o n - b o n d e d ) 钛靶结构，很容易看到，在靶面刻独方面它与普通钛靶有着明 显不同，靶材利用率提高了。 上图是普通钛靶，下图是扩散结合钛靶 图1 7 普通的钛靶和扩散结合钛靶的剥蚀形貌比较 f i g 1 7c o m p a r i s o no f e r o s i o np r o f i l eo f g e n e r a lt i t a n i u mt a r g e ta n dd i f f u s i o nb o n d e dt i t a n i u mt a r g e t j m u s i l 提, q 4 , 了一种“具有全靶剥蚀的矩形磁控靶”( r e c t a n g u l a r m a g n e t r o n t a r g e t w i t h f u l l t a r g e t e r o s i o n ) 结构【8 】，如图1 8 所示，它能有效延长靶的寿命， 提高靶材利用率。这种结构有两种工作模式：静态模式( s t a t i o n a r ym o d e ) 和扫描模式 ( s c a n n i n gm o d e ) ；磁极的方向有两种排列方式：完全相同和交替排列。 5 ， 东北大学硕士学住论文 第一章绪论 圈1 8 具有全靶剥蚀的矩形磁控溅射靶结构示意图 f i g 1 8 s c h e m a t i co f r e e t a n g u l a rm a g n e t r o nt a r g e tw i t hf u l lt a r g e te r o s i o n 清华大学材料系的范毓殴在国内较早从事磁控溅射靶的研究，早在8 0 年代初就设计 出矩形及圆形磁控溅射靶，并获褥了国家发明专利【9 】。北京仪器厂的王恰德提出了种 背环式磁控溅射靶【1 0 1 ，如图1 9 所示，它采用共用永磁体，外露软磁极靴的磁场布局， 提高了溅射效率；同时采用带翼的凹形靶材，靶材利用率高；采用间接水冷的方式，同 时又避免了国外多采取钎焊工艺给靶制造所带来的困难。 隶j 硝e 图1 9 背环式磁控溅射靶结构的断面示意图 f i g 1 9s c h e m a t i c d r a w i n g o f b a c k - r o u n d m a g n e t r o n 目前已经出现了很多种靶的设计结构【l 。b 】，包括现在普遍采用的中频双靶磁控射， 通过优化设计能够有效地提高溅射和沉积的速率，改善膜层质量以及增加靶材利用率， 延长靶的寿命。还有旋转靶的结构【1 4 1 ，如图1 1 0 所示。旋转靶每一时刻靶面溅射的位置 不同，靶的冷却比较充分，靶面能够承受更大功率的溅射，同时它又具有靶材利用率高 的特点，将它与中频双靶磁控溅射技术相结合能够显著提高生产效率同时降低生产成 本。圆柱旋转双面矩形磁控溅射靶解决了同轴圆柱形磁控靶由于环状磁场所引起的膜层 均匀性不好的问题，可以在靶两侧的大面积平面基片上沉积出均匀的膜层。这种靶具有 较高的磁场强度，膜层的沉积速率高，溅射效率也商，同时通过旋转机制提高了靶材的 6 查韭垄堂塑主堂壁垒叁 茎二生竺! 生 利用率。针对柔性基体镀膜的特点，卷绕镀膜应运而生，从最初时局限于热蒸发镀，到 后来的溅射卷绕镀膜，现在多靶磁控溅射卷绕镀多层膜的技术已经发展得比较成熟了。 i 气体离子2 靶材3 条形磁铁4 磁座5 等离子体 6 基片7 冷却水管8 溅射原子 图1 1 0 圆柱旋转双面矩形磁控溅射靶横断面结构及溅射刻蚀示意图 f i g 1 1 0 s c h e m a t i co f t h ec r o s ss e c t i o ns l r u c t u r ea n ds p u t t e r i n ge r o s i o no f t h ec y l i n d r i c a lr e v o l v i n g t w o - r e c t a n g l em a g n e t r o ns p u t t e r i n gt a r g e t 除了对靶内结构进行改造以外，科技工作者还通过改变溅射空间中的磁场分布来试 图提高利用率。r y u t a a i 等人是将靶外侧的接地屏蔽罩换成磁性材料，这样屏蔽罩和靶 内的外磁铁环又形成磁回路，在靠近靶的边缘多了一个电子跑道，溅射时靶面也多了一 个刻蚀环。m a n o j k o m a t h 和e i j i s h i d o j i 采用两个线圈来控制空间磁场。其q a e i j i s h i d o j i 是 通过控制外侧线圈的电流来改变空间磁场，从而改变刻蚀环的位置。m i e k ok a s h i w a g i 等人在溅射铁磁靶时，为了扩大靶表面等离子体局限区域、延长靶的寿命，特地在靶表 面放置一半径为2 0 m m 的铁磁性材料。从他们实验看来，加了铁磁性材料后，靶表面附 近平行于靶面方向的磁场分量发生明显的变化，电离碰撞发生区域增大，刻蚀区域也随 之增大。但是，从他们的计算结果来看，增加磁性材料以后，靶的利用率只是得到了轻 微的提高【1 5 】。华南理工大学的常天海【1 6 】设计了一种无屏蔽罩的矩形平面磁控溅射靶结 构，显著增强了靶面磁场，为实现低电压磁控溅射提供了思路。 目前，人们发现将整个溅射空间放置在磁场中，溅射效果会大不相同。这主要是由 于外加磁场改变了溅射空间原来的磁场。苏州大学的赵新民0 7 1 继续就外加磁场对磁控溅 射的影响进行研究，并进行了大胆的尝试：完全去除靶内磁场，单纯依靠基片下磁铁产 生的磁场发挥磁控作用，结果发现靶表面的磁场比起普通平面磁控溅射而言要均匀的 多，在靶表面上不再看到刻蚀环，靶材利用率有了明显的提高。 从前人的研究成果来看，尽管人们做了大量细致的研究工作，但是靶材利用率只是 得到非常有限的提高。其主要原因是靶表面的等离子体局限性没有得到根本性的解决。 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 薄膜厚度均匀性的研究现状 薄膜均匀性是影响薄膜性能的重要因素，薄膜厚度直接影响薄膜以及薄膜器件的一 致性。为了制备大面积均匀且批量一致性好的薄膜，可以通过调整靶基距、基片运动方 式、增加挡板机构以及外加磁场来优化膜厚分布。近年来对磁控溅射薄膜厚度分布，好 多学者也进行了广泛的研究，关于磁控溅射薄膜的厚度分布模型，已有较多的文献进行 了讨论口8 3 4 】。 x q m e n g 18 】研究小组为了达到制备大面积均匀薄膜的目的，根据实际磁控溅射情 形从理论上推导出薄膜厚度分布公式。根据他们的公式可得：基片距离靶越远，薄膜的 均匀性越好。一般在距离l o 8 r ：( r ：为靶上刻蚀环的外径) 时，薄膜的均匀性已非 常好。同时，作者还指出：轰击靶材的入射粒子的能量与薄膜的沉积速率、均匀性之间 无紧密关系。 范正修等人【1 9 1 系统的论述了磁控溅射薄膜的厚度分布，从理论上分析了固定基片， 基片转动以及自转加公转三种状态下的膜厚分布，计算结果表明，膜厚分布很大程度上 取决于基体高度。适当调节基体高度和靶的距离，可以得到很好的膜厚均匀性。 q i h u af a i l 【2 0 】等人在一种高靶材利用率的溅射设备一s m m s ( s y m m e t r i c a lm a g n e t m a g a e t r o ns p u t t e r i n g ) 系统的基础上，建立数学模型并编程计算。得出在这样一个特殊 的溅射系统中，溅射c u 时溅射原予的角分布，同时计算了不同靶基距下薄膜厚度分布， 该模拟方法同样适应于其它的溅射系统。 为了解决阴极靶面积受到限制又需要得到均匀面积较大的薄膜的实际问题，人1 ：1 , j 1 2 l j 进行分析研究，发现在方形靶和圆形靶中间开大小不同的孔，可以得到均匀范围较大， 均匀性较好的薄膜，薄膜的均匀性与开孔的大小和靶基距相关。 众所周知，靶面的溅射刻蚀现象对薄膜的厚度分布也有很大的影响，当靶面出现刻 蚀坑时，薄膜厚度均匀性将会变差，但此时薄膜相对厚度要高于靶面无溅蚀坑的情形， 即薄膜的沉积速率提高了，这是由于靶面溅射坑出现改变了靶面入射粒子的溅射产额和 靶材出射粒子的出射方向所致【蠲。人们【2 3 1 还根据圆形平面磁控溅射靶的刻蚀现象与磁控 磁场的关系，建立了一个理论计算模型，进一步讨论了磁控溅射薄膜的厚度分布，得知 靶基距是控制薄膜厚度分布的重要因素，并得出制备大面积薄膜必须满足的条件：根据 靶材的不同( n 值的不同) 和磁控磁场水平分量的分布，适当的选择靶基距。一般说，n 值小的靶材，取较小的靶基距，反之则否。 在不同磁控溅射模式下，薄膜厚度的分布也不相同，对于平衡磁控溅射和非平衡磁 控溅射磁场分布是影响两种磁控溅射膜厚分布差异的主要因素：菲平衡磁控溅射膜厚 分布均匀性随着附加励磁线圈电流的改变而变化讲l 。 对于光学薄膜，膜厚均匀性关系到薄膜的分光特性，并影响着元件的面形精度，故 而膜厚均匀性是光学镀膜工艺中的一个重要问题。中国科学院长春光学精密机械与物理 8 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 研究所的林炳【2 5 1 对软x 射线多层膜膜厚分布均匀性的控制进行了研究，采用国际上普遍 采用的挡板技术控制被镀基片不同位置的多层膜膜系周期厚度，它是将特殊制作的挡板 置于被镀基片与靶材之间，补偿多层膜周期厚度的空间分布不均匀性，最终将膜厚分布 非均匀性从4 5 减d 、n 2 ，周期厚度绝对差值控制在0 1 9 n m 以内。这种膜厚补偿技术 操作简单，难度不大，可是过程非常的繁琐，要获得相应某波长的高均匀性多层膜的挡 板要不断地修改挡板的有效补偿面积。 电子科技大学的博士研究生陶伯万【2 6 】对倒筒靶溅射沉积薄膜的厚度分布规律进行 了系统的研究，分别采用几何投影的方法和两次沉积源变换的方法克服了定向传递和扩 散传递中薄膜面积大于靶尺寸的问题，发现倒筒靶的高度对于薄膜厚度分布的影响很 小。其次，还发现通过双轴旋转方式调和了在面外旋转中厚度分布变化趋势相反的问题， 明显改善了薄膜厚度均匀性。再次，采用转速调制时薄膜厚度均匀性还可以进一步改善， 理论上均匀性可达5 以内。此外，双轴旋转用于多元氧化物薄膜的沉积，还可以显著 提高薄膜的成分均匀性，另外，双轴旋转方式还可用于其它形状的p v d 靶源沉积，特别 是在锥形靶溅射沉积中，可获得更均匀的薄膜。 现在大多数研究人员所研究的系统都是基片固定不动的情况。由于这种结构的系统 制备的薄膜均匀性不是很好，越来越多的人采用基片可公、自转且速度可调的系统。基 片可公、自转且速度可调的磁控溅射系统可以制备大面积高质量的铁电薄膜。电子科技 大学的韩雷刚【2 。7 】基于这种磁控溅射镀膜系统，通过分析研究及计算机模拟，建立了膜厚 分布与靶基距和公、自转相对速度的理论计算模型，并通过实验验证，理论与实验基本 吻合。 外加磁场对薄膜厚度均匀性也有着重要的影响，通过外加磁场进行溅射镀膜，就是 将靶内磁场屏蔽，在基片下放置磁铁，让来自基片下的磁场发挥磁控作用。通过仔细的 测量发现：靶面被刻蚀的状态比普通磁控溅射均匀的多，刻蚀深度从边缘到中间逐渐增 大，在靶面并没有出现通常的刻蚀环，因此这种磁控配置还大大提高了靶材的利用率。 综上所述，可以通过多种方法提高薄膜厚度均匀性，但是对于一台特定的磁控溅射 设备，阴极靶的形状、磁路等结构参数及基片的运动方式已经确定，难以改变，相比之 下，靶基距比较容易调整。因此，寻找最佳的靶基距以获得最佳的膜厚分布，是行之有 效的办法。 1 3 课题的来源及研究内容 1 3 1 课题的来源 本论文实验是在深圳豪威真空光电子股份有限公司的w 7 镀膜线的溅射系统上进 行。本人实地参加了深圳豪威公司i t o 膜的制备、改造靶的磁场测量、在线实验等工作， 加深了对生产线运行原理、技术工艺等方面的认识，为将来进一步研究打下了坚实的基 ，9 查些叁芏堡主兰垡笙查一 一生二主兰：垒 础。同时对f j l 5 6 0 c 1 1 型超高真空磁控与离子束联合溅射系统进行薄膜厚度模拟，找出 满足镀膜工艺的最佳的靶基距，为以后进行镀膜实验，奠定一定的理论基础。 本文研究的问题来自于生产实践，通过对这些问题的研究，力图为实际生产提供一 定的指导。 1 3 2 课题的研究内容 ( 1 ) 平面磁控溅射靶磁场的研究 通过磁场的有限元模拟，系统的分析了结构参数对靶面磁场均匀性和强度的影响， 提出两种新的磁钢排布结构，并就其特性进行分析，为磁控溅射靶的实际设计提供指导， 模型的准确性通过部分实测数据来验证。 f 平面磁控溅射薄膜厚度均匀性的研究 对于现有的磁控溅射设备，建立数学模型，并模拟出薄膜厚度的三维分布和三维分 布，分析靶基距对薄膜均匀性的影响，为实际的镀膜过程提供理论依据。 1 0 垒! ! 垄芏堡主堂堡垒叁箜三主窒坠丝垒量! 墨 第二章实验设备及原理 所谓溅射1 1 是指荷能粒子轰击固体表面( 靶) ，使固体原子( 或分子) 从表面射出的现 象。射出的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原子。用于轰击靶的荷能粒子可以是电子、 离子或中性粒子。因为离子在电场作用下易于加速并获得所需动能，因此大多采用离子 作为轰击粒子。 2 1 溅射原理 2 1 1 辉光放电 对于一般的溅射设备，溅射薄膜的形成是建立在辉光放电的基础之上的a 不同的溅 射技术所采用的辉光放电方式有所不同。直流二极溅射利用的是直流辉光放电：三极溅 射是利用热阴极支持的辉光放电；射频溅射是利用射频辉光放电；磁控溅射是利用磁场 控制下的辉光放电。 ( 1 ) 寅流辉光放电 溅射是在辉光放电中产生的，因此，辉光放电是溅射的基础。辉光放电是在真空度 约为1 0 。1 p a 的稀薄气体中，两个电极之间加上电压而产生的一种气体放电现象。图2 1 表 示赢流辉光放电的形成过程，亦即两电极之间的电压随电流变化的关系曲线。 罩 图2 1 直流辉光放电伏安特性曲线 f i g 2 1 i - vc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f d i r e c tc u r r e n tg l o wd i s c h a r g e 当两电极加上直流电压时，由于宇宙线产生的游离离子和电子有限，所以开始时电 流非常小，此a b 区域叫做“无光”放电。随着电压升高，带电粒子获得足够的能量， 与中性气体分子碰撞产生更多的带电粒子，使电流平稳的增加，但是电压却受到电源输 出阻抗的限制而呈一常数，b c 区域称为“汤森放电区”。在此区内，电流可在电压不 变的情况下增大。 东北大学硕士学位论文 第二章实验设备与原理 然后发生“雪崩”。离予轰击阴极，释放出二次电子，二次电子与中性气体分子碰 撞，产生更多的粒子，这些粒子再轰击阴极，又产生出更多的二次电子。旦产生足够 多的离子和电子后，放电达到自持状态，气体开始起辉，两极间的电流剧增，电压迅速 下降，这个c d 区域叫做过渡区。在d 点以后，电流与电压无关，即增大电源功率时，电 压维持不变，而电流平稳增加，此时两极板问出现辉光。在这一区域内若增加电源电压 或改变电阻来增大电流，两极板间的电压几乎维持不变。从d i n e 之间区域叫正常辉光 放电区。在正常辉光放电时，放电自动调整阴极轰击面积。最初，轰击是不均匀的，随 着电源功率增加，轰击区逐渐扩大，直到阴极面上电流密度几乎均匀为止。e 点以后， 当离子轰击覆盖整个阴极表顽后，继续增加电源功率，区内的电压和电流密度同时升高， 称为“异常辉光放电区”。该区是溅射工艺的工作区域。在此区域内，如阴极无水冷或 是继续增加功率，当电流密度达到约0 1 a c m 2 以上，将有热发射电子混入二次电子之中， 随后发展成又个“雪崩”。由于电源输出阻抗限制着电压，将形成低电压大电流的“弧 光放电”，即f g 区域。 ( 2 ) 射频辉光放电 在一定气压下，当阴阳极间所加交流电在一定气压下，当阴阳极间所加交流电压的 频率增高到射频时，即可产生稳定的辉光放电。射频辉光放电有两个重要的特征：第一， 在辉光放电空间产生的电子，获得了足够的能量，足以产生碰撞电离。因而，减少了放 电对二次电子的依赖，并且降低了击穿电压。第二，射频电压能够穿过任何一种类型的 阻抗，所以电极并不需要是导体，因而，可以溅射包括介质材料在内的任何材料。因此 射频辉光放电在溅射技术中的应用十分广泛。一般在5 3 0 m h z 的射频溅射频率下，将 产生射频放电。这时外加电压的变化周期小于电离和消电离的时间( 一般在l 毫秒左右) ， 等离子体浓度来不及变化。由于电子质量小，很容易跟随外电场从射频场中吸收能量并 在场内作振荡运动。但是，电子在放电空间的运动路径不是简单的由一个电极到另一个 电极，而是在两电极之间的放电空间中往返震荡运动，经历很长的路程，因此，增加了 与气体分子碰撞的几率，并使电离能力显著提高，从而使击穿电压和维持放电的工作电 压均降低( 其工作电压只是直流辉光电压的1 1 0 ) ，所以射频放电的自持要比直流放电容 易得多。通常，射频辉光放电可以在较低气压下进行。例如，直流辉光放电通常在l o o 1 0 - 1 p a 运行，射频辉光放电可以在1 0 1 1 0 2 p a 运行。 虽然大多数正离子的活动性甚小，可以忽略它们对电极的轰击。但是若有一个或两 个电极通过电容耦合到射频振荡器上，将在该电极上建立一个脉动的负电压。由于电子 和离子迁移率的差别，辉光放电的i v 特性类似于一个有漏电的二极管整流器。也就是 说，在通过电容器引入射频电压时，将有一个大的初始电流存在。而在第二个半周期内 仅有个相对较小的离子电流通过。所以，通过电容器传输电荷时，电极表面的电位必 然自动偏置为负极性，直到有效电流( 各周期平均电流) 为零。平均直流电位蹦的数值 近似的与所加峰值电压相等。 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章实验设备与原理 如果在射频溅射装置中，将射频靶与基片完全对称配置，则两电极的负电位相等， 正离子以均等的几率轰击溅射靶和基片，溅射成膜是不可能的。实际上，只要求靶上得 到溅射，那么这个溅射靶电极必须绝缘起来，并通过电容耦合到射频电源上去另一电 极( 真空室壁) 为直接耦合电极( 即接地电极) ，而且直接耦台电极的面积必须远大于靶电 极的面积。这样，靶面的阴极位降为您( 近似等于等离子体的电位) ，直接藕合电极 的阴极位降为蹦，则两个电压之间存在如下近似理论关系： v c 附= ( a d a c ) 4 式中。d 和爿c 分别为容性耦合电极( 即溅射靶) 和直接耦合电极( 即接地电极) 的面 积。实际上，由于直接耦合电极是整个系统的地，包括底板、真空室壁在内，a d 尺寸 比彳c 大得多。所以，殆远远大于掰，即殆与掰两者之间实际上并不具有4 次方的关 系。因此平均壳层电压在靶电位和地之间变化。所以射频辉光放电时等离子体中离子对 接地零件有极微小的轰击，而对溅射靶却进行强烈轰击并使之产生溅射。 2 1 2 溅射特性 表征溅射特性的参量主要有溅射阈值、溅射率以及溅射粒子的速度和能量等。 ( 1 ) 溅射阈值 溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须具有的最小能量。溅射阈值的 测定十分困难，随着测量技术的进步，目前已能钡9 出低于l o 5 原子，粒子的溅射率。入 射离子不同时溅射阈值变化很小，而对于不同靶材溅射的变化比较明显。也就是说，溅 射阈值与离子质量之间无明显的依赖关系，而主要取决于靶材。对处于周期表中同一周 期的元素，溅射阈值随着原子序数增加而减小，对绝大多数金属来说，溅射阈值为1 0 3 0 e v ，相当于升华热的4 倍意右。 ( 2 ) 溅射率 溅射率是描述溅射特性的一个最重要的物理参量，它表示正离子轰击靶阴极时，平 均每个正离子能从阴极上打出的原予数。有称溅射产颧或溅射系数，常用s 表示。 溅射率与入射离子的种类、能量、角度及靶材的类型、晶格结构、表面状态、升华 热大小等因素有关，单晶靶材还与表面取向有关。 ( 3 ) 溅射原子的能量和速度 在溅射中，由于溅射原