（等离子体物理专业论文）会切场约束icp增强非平衡磁控溅射放电及应用研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 本文的研究内容分为两大部分：第一部分研究了一种新型的薄膜制备技术，即会切 场约束i c p ( i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a ) 增强非平衡磁控溅射沉积薄膜技术，并应用 该技术在合适的参数条件下沉积了性能良好的铜膜；第二部分用发射光谱和l a n g m u i r 探针研究了该技术中等离子体参数随气压、射频功率、会切磁场及放电室中不同位置处 的变化规律。 i c p 增强非平衡磁控溅射技术使用自制的非平衡磁控溅射装置，外加以射频线圈增 强等离子体电离，并在基片台上加脉冲负偏压，来增加离子到达基片的速率。溅射靶位 于真空室内上方，和真空室上壁之间采用绝缘的聚乙烯连接。放电室外共有两组永久磁 铁：真空室外侧环绕真空室的三匝永久磁铁环和溅射靶上面的永久磁铁。两组磁铁产生 的磁场在真空室中相互叠加，形成会切场磁场位形。此设备在实现射频放电及射频增强 磁控溅射放电过程中，在会切场的约束下，放电室中间区域等离子体均匀。在调节气压、 功率及考虑到离子流密度不致过大的情况下，选择了沉积铜膜的最佳沉积参数。我们在 传统的磁控溅射沉积的基础上，由柱形真空室外增加的永久磁铁和靶上面的永久磁铁叠 加形成会切磁场约束作用，增加了电子的自由程，提高了等离子体的电离率。真空室外 还加了由柱状天线传输的射频功率，进一步激励等离子体，增强了等离子体的密度和电 子温度。 实验过程中，使用纯度为9 9 9 9 的高纯氩气，纯度为9 9 9 的铜作为溅射靶。用发 射光谱法研究了射频放电氩等离子体随射频功率、气压和放电室中位置的变化规律，选 用了两条特定氩的原子和离子谱线。射频放电中谱线强度表现出了模式跳变和回滞现 象，即射频功率增加到4 0 0w 时，射频放电从e 模式跳变到h 模式，a r 原子谱线强度证 明了增加的跳变，而a r + 谱线强度只是有小的变化，而从高功率降低时，到3 0 0w 时射 频放电从h 模式跳变到e 模式。还用发射光谱法研究了放电室在有无会切磁场及射频情 况下，特定的氩和铜的原子和离子谱线的变化情况，从而定性的研究等离子体参数的变 化。用l a n g m u i r 探针测量了放电室内等离子体参数。研究了射频放电时，等离子体参 数如电子温度、电子密度和离子密度等在轴向和径向的分布及会切磁场会对等离子体参 数的影响。证实了在有外约束磁场的情况下，i c p 增强的非平衡磁控溅射等离子体参数 都有明显的提高。 用该实验设备在硅基片上沉积了铜膜。在如下三种条件下沉积了薄膜：有射频无会 切磁场、无射频有会切磁场和有射频有会切磁场。膜的表面形貌和织构通过扫描电子显 微镜( s e m ) 和x 射线衍射( x r d ) 测得。用电子能谱( e s ) 对薄膜的成分进行了分析。 会切场约束i c p 增强非平衡磁控溅射放电及应用研究 膜的表面特性由原子力显微镜( a f m ) 和来自原子力显微镜数据的粗糙度来表征。电阻 率通过四探针法测量。通过比较最后的实验结果，表明射频和会切磁场的加入明显改善 了放电室中等离子体参数如电子温度、电子密度及离子密度等。露此，在有射频和会切 磁场时，膜的表面光滑致密，晶粒尺度在几百纳米，粗糙度也不丸电阻率最小。原因 可能是射频放电和会切磁场增强等离子体密度，高密度的等离子体在相同的脉冲偏压下 能更好的改善了离子轰击效应。离子轰击可以明显地影响着沉积印膜的表面生长和性 能。通过实验，可以找到沉积性能好的c u 膜的最佳实验参数，并希望这一工艺能应用 在集成电路中。 关键词：射频；非平衡磁控溅射；发射光谱；i 五n g m u i r 探针；c a n 膜 大迮理工大学博士学位论文 s t u d i e so nd i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c sa n d a p p l i c a t i o n so fi c pe n h a n c e d u n b a l a n c e dm a g n e t r o ns p u t t e r i n gi nc u s p f i e l dc o n f i n e dm a g n e t r o n a b s t r a c t 乃ep r e s e n tw o r ki n c l u d e st w om a i np a r t s ：t h ef i r s tp a r tm a i n l yi n v e s t i g a t e sal l e w t e c h n i q u eo f t h i nf i l md e p o s i t i o n ，r e f e r r e da st ot h et e c h n o l o g yo ft h i nf i l md e p o s i t i o nb yi c p e n h a n c e du n b a l a n c e dm a g n e t r o n s p u t t e r i n gp r o c e s si nc u s p - f i e l dc o n f i n e dm a g n e t r o n t h e ni t i sa p p l i e dt od e p o s i tc uf i l mo fg o o dc h a r a c t e r i s t i c su n d e r a p p r o p r i a t ep a r a m e t e rc o n d i t i o n i n t h es e c o n dp a r t ，t h er e g u l a r i t yo fp l a s m ap a r a m e t e r , w h i c hv a r i e sw i t ht h ea i rp r e s s u r e ，t h e p o w e ro fr a d i of r e q u e n c y ( r 0 ，t h ec u s pm a g n e t i cf i e l da n dd i f f e r e n tp o s i t i o n si nt h ec h a m b e r i ss t u d i e d ，b yu s i n gt h ee m i s s i o ns p e c t r o m e t r ya n dl a n g m u i rp r o b e n es e l f - r e g u l a t i n gu n b a l a n c e dm a g n e t r o n s p u t t e r i n gd e v i c ea n dr fw i n d i n g ，w h i c he n h a n c e t h ep l a s m ai o n i z a t i o n ，a r eu s e di ni c p ( i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a ) e n h a n c e dt m b a l a n c e d m a g n e t r o ns p u t t e r i n gt e c h n i q u e t h ep u l s em i n u sb i a sv o l t a g ei sa p p l i e dt ot h es u b s t r a t et o i n c r e a s et h ev e l o c i t yo fi o n sa r r i v i n ga tt h es u b s t r a t e 皿em a g n e t r o n t a r g e ti sl i e da b o v et h e v a c u u mc h a m b e r , c o n n e c t e dw i t ht h ec h a m b e r su p p e rw a l lb yt h ei n s u l a t i n gp o l y e t h y l e n e t h e r ea r et w og r o u p so fp e r m a n e n tm a g n e to u t s i d et h ed i s c h a i g ec h a m b e r ：o n ei st h r e ec i r c l e s o fp e r m a n e n tm a g n e th o o pa r o u n dt h eo u t s i d eo ft h ev a c u u mc h a m b e r ，a n dt h eo t h e ri sa p e r m a n e n tm a g n e to nt h et o po ft h es p u t t e r i n gt a r g e t n em a g n e t i cf i e l d sr e s u l t i n gf r o mt h e t w og r o u p sa b o v ei n t e r a c tw i t he a c ho t h e ra n df o r ma f i g u r eo fc u s pm a g n e t i cf i e l d w i t ht h e c o n f i n e m e n to ft h ec u s pm a g n e t i cf i e l d ，d u r i n gt h er fd i s c h a r g ea n dr fe n h a n c e dm a g n e t r o n s p u t t e r i n gd i s c h a r g e ，t h eu n i f o r mp l a s m ac o u l db eo b t a i n e di nt h em i d d l ea r e ao ft h ec h a m b e r 硼1 eo p t i m u mp a r a m e t e r so fc uf i l md e p o s i t i o na r ec h o s e nb ya d j u s tc o n s i d e r i n gt h e p r e s s u r e t h ep o w e ro fr fa n dt h ei o nc u r r e n tw h i c hs h o u l dn o tb eo v e rl a r g e o nt h eb a s i so ft h e c o n v e n t i o n a lm a g n e t r o ns p u t t e r i n g ，t h ep e r m a n e n tm a g n e t so u t s i d et h ec o l u m nv a c u u m c h a m b e ra n da b o v et h et a r g e ti n t e r a c tw i t he a c ho t h e ra n df o r mac o m b i n e dc u s pm a g n e t i c f i e l d ，w h i c hp l a y st h er o l eo fc o n f i n e m e n ta n di n c r e a s e st h ee l e c t r o nf r e ep a t h ，a n di r e p r o v e s t h ep l a s m ai o n i z a t i o nr a t ea sw e l l b e s i d e st h i s ，t h er fp o w e ri sa d d e dt h r o u g ha c y l i n d e r a n t e n n at oi n s p i r et h ep l a s m af u r t h e ra n di n c r e a s ep l a s m a d e n s i t ya n de l e c t r o nt e m p e r a t u r e e f f e c t i v e l y i nt h i se x p e r i m e n t ，a rw i t ht h ep u r i t yo f9 9 9 9 i su s e da sd i s c h a r g i n gg a s ，a n dc uw i t h t h ep u r i t y9 9 9 i su s e da st h em a t e r i a lo fs p u t t e r i n gt a r g e t t h ec h a n g i n g r e g u l a r i t yo ff fa r p l a s m a ，w h j c hv a r i e sw i t ht h ep o w e ro fr a d i of r e qu e n c y t h ea i rp r e s s u r ea n dt h ep o s i t i o ni n t h ed i s c h a r g ec h a m b e r ，i s i n v e s t i g a t e db yt h ee m i s s i o ns p e c t r o m e t r y t w og i v e na t o ma n di o n i i i 会切场约束i c p 增强非平衡磁控溅射放电及应用研究 s p e c t r a ll i n e so fa ra r es e l e c t e d t h ei n t e n s i t yo fs p e c t r a ll i n e si nr fd i s c h a r g es h o w sa j u m p i n gm o d ea n d ah y s t e r e s i sp h e n o m e n o nw i t ht h e c h a n g eo fr fp o w e r w h e nt h er fp o w e r i n c r e a s e st o4 0 0w ，t h ed i s c h a r g ej u m p sf r o me - m o d et oh m o d e ，w h e r et h el i n ei n t e n s i t yo f a ra t o md e m o n s t r a t e sa ni n c r e a s ej u m p i l y ，b u tt h ei n t e n s i t yo f 时i o no n l yh a sal i t t l eb i t c h a n g e s i ft h er fp o w e rd e c r e a s e sf r o mah i g hp o w e r ，s u c ha sf r o m1 0 0 0w ，t h ed i s c h a r g e j u m p sf r o mh m o d eb a c k t oe - m o d ea t3 0 0 w m o r e o v e r , u n d e rt h ec o n d i t i o no fw i t ho r w i t h o u tc u s pm a g n e t i cf i e l da n dr f , t h ec h a n g eo fg i v e na t o ma n di o nl i n e so fa ra n dc ui s s t u d i e db yt h em e t h o do fe m i s s i o ns p e c t r o m e t r y i nt h i sw a y ，t h ev a r i e t yo fp l a s m ap a r a m e t e r s i si n v e s t i g a t e dq u a l i t a t i v e l y t h ep l a s m ap a r a m e t e r si nt h ed i s c h a r g ec h a m b e ra r em e a s u r e d b yl a n g m u i rp r o b e t h ed i s t r i b u t i n go ft h ep l a s m ap a r a m e t e r s ( e l e c t r o nt e m p e r a t u r e ，e l e c t r o n d e n s i t ya n di o nd e n s i t y ) a tt h ea x i sa n dr a d i a la n dt h ei n f l u e n c eo fc u s pm a g n e t i cf i e l do n p l a s m ap a r a m e t e r sa r ei n v e s t i g a t e dd u r i n gt h ep r o c e s so fr fd i s c h a r g e i th a sb e e np r o v e dt h a t ， w i t ht h ec o n f i n e m e n to fc u s pm a g n e t i cf i e l d ，p a r a m e t e r so fi c pe n h a n c e du n b a l a n c e d m a g n e t r o ns p u t t e r i n gp l a s m aa r e - i m p r o v e do b v i o u s l y c uf i l m sa r ed e p o s i t e do nt h es is u b s t r a t eb yu s i n gt h i se x p e r i m e n te q u i p m e n t t h ef i l m s a r ed e p o s i t e du n d e rt h r e ec o n d i t i o n sa sf o l l o w s ：w i t hr fa n dw i t h o u tc u s pm a g n e t i cf i e l d , w i t h o u tr fa n dw i t hc u s pm a g n e t i cf i e l da n dw i t hr fa n dw i t hc u s pm a g n e t i cf i e l d t h e m o r p h o l o g ya n ds t r u c t u r eo ff i l m sa r ee x a m i n e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ， x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n de l e 磷f is p e c t r o s c o p y ( e s ) t h es u r f a c ea v e r a g er 艿u g h n e s so ft 矗 d e p o s i t e dc uf i l mi sc h a r a c t e r i z e db ya t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( 削f m ) d a t a t h er e s i s t i v i t yi s m e a s u r e db yf o u rp r o b em e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a tr fa n dc u s pm a g n e t i cf i e l dp l a ya n i m p o r t a n tr o l ei np l a s m ad i s c h a r g ea n di m p r o v ep l a s m ap a r a m e t e r ss i g n i f i c a n t l y ，i n c l u d i n g e l e c t r o nt e m p e r a t u r e ，e l e c t r o na n di o nd e n s i t y t h e r e f o r e ，t h ec uf i l md e p o s i t e dw i t hr f d i s c h a r g ee n h a n c e di o n i z a t i o na n dc u s pm a g n e t i cf i e l dc o n f i n e m e n th a ss m o o t ha n dd e n s e s u r f a c e ，l o ws u r f a c er o u g h n e s sa n d l o wr e s i s t i v i t y t h es c a l eo ft h ec r y s t a lg r a i ni sa b o u t 1 0 0 1 0 0 0n m t h er e a s o nm a yb ea t t r i b u t e dt ot h a tt h er fd i s c h a r g ea n dc u s pm a g n e t i cf i e l d c o u l de n h a n c et h ep l a s m ad e n s i t y ，w h i c hf u r t h e ri m p r o v e si o nb o m b a r d m e n te f f e c tu n d e rt h e s a m eb i a sv o l t a g e i o nb o m b a r d m e n tc a ni n f l u e n c et h eg r o w i n gf e a t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f d e p o s i t e dc uf i l m so b v i o u s l y f r o mt h ee x p e r i m e n t s ，t h eb e s te x p e r i m e n tp a r a m e t e r sf o rt h e d e p o s i t i o no fc uf i l mw i t hg o o dc h a r a c t e r i s t i c sc a nb ef o u n d t h i st e c h n i q u ew i l lb e c o n t r i b u t e dt oi n t e g r a t e dc i r c u i t ，a n di se x p e c t e dt ob ea p p l i e dt op r a c t i c a lw o r k k e yw o r d s ：r f ( r a d i of r e q e n c y ) ；u n 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 ；t h ee m i s s i o n s p e c t r o s c o p y ；l a n g m u i rp r o b e ；c uf i l m i v 独创性说明 作者郑重声明：本博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：日期： 大连理工大学博士学位论文 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。 作者躲之毒逆 作者签名：亟矍垫 导师签名：罩艟刁 2 堕年月二日 大连理工大学博士学位论文 1 引言 1 1 射频等离子体特点 射频感性耦合( i c p ) 等离子体是一种重要的低气压、高密度等离子体。同其它低气 压、高密度等离子体源相比，i c p 源无需外磁场，装置结构简单；耦合天线适于大面积 扁平设计，便于多元阵列线性放大。因此，i c e 源不仅在微电子芯片刻蚀工艺，而且在 大尺寸平面显示器刻蚀工艺、半导体和光电子功能薄膜沉积、宽束强流离子源、全方位 离子注入等重要领域得到了应用n 卫1 。 1 2 射频等离子体 1 2 1 射频耦合方式 按照射频电源向等离子体输送能量的方式，可将射频耦合方式分成电容耦合和电感 耦合。射频波只不过是特殊波段的电磁波，它的能量可分为电场能量和磁场能量。由于 只有射频电场才能加速电子，从而电离中性气体产生等离子体，所以射频耦合方式也就 是等离子体( 鞘层) 中射频电场的产生方式以及电场与电子的作用方式。 1 2 2 射频容性耦合 电容耦合等离子体是指等离子体中的射频电场是由射频天线或电极上的电压( 严格 的讲，应该是静止电荷) 产生的，该射频电场性质同静电场，旋度为零( v 豆。；0 ) ， 电场的方向垂直于电极面，具有纵向场的特点。电场能量以纵向加热的形式传递给电子， 从而产生等离子体。在容性耦合射频等离子体中，振荡电场的空问分布不是均匀的，等 离子体中的射频振荡电场幅值小，等离子体鞘层中的射频振荡电场幅值大。电子被约束 在具有负电位降的双等离子体鞘层之间往复反弹，在等离子体区，电子与小幅值的射频 电场发生弱的相互作用，而在鞘层区与大幅值射频电场发生强相互作用，使电子在鞘层 区获得较高的能量。此种耦合方式在放电中射频频率使得离子不易到达电极，离子的消 失过程主要是扩散过程决定，而电子可以到达电极。 1 2 。3 射频感性耦合 射频电感耦合等离子体( i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a 简称i c p ) 早在1 9 世纪末期 就被发现，4 j 。低气压射频电感耦合等离子体最仞用于等离子体处理方面是在8 0 年代1 ， 如等离子体表面处理及等离子体刻蚀饽叫。 会切场约束i c p 增强非平衡磁控溅射放电及应用研究 电感耦合等离子体是指等离子体中的射频电场是由射频天线的磁场产生的。感应耦 合采用绕在放电管上的线圈代替电极，借高频磁场在放电管中产生的感应电场来产生等 离子体。显然，这都无需将金属电极直接放在放电空间，也就防止了因溅射现象而造成 污染，因而可以得到均匀而纯净的等离子体，这对化学反应来说是至关重要的，特别适 用高纯度物质的制备和加工。但是也需注意，放电功率将会受放电管与电极( 或线圈) 间耦合程度的限制。在典型的感性耦合等离子体源中，天线射频电流在等离子体中产生 射频磁场，交变的磁场产生有旋度的感应电场( v e h 一0 ) 。在通常的天线位形下， 感性耦合电场近乎平行绝缘介质耦合窗口和其它真空室壁，电场能量以所谓横向加热的 形式传递给电子，从而产生等离子体。当没有等离子体时，射频磁场的分布接近直流恒 定磁场。当具有导电性质的等离子体存在时，射频波在等离子体表面产生趋肤效应，射 频磁场以及感应电场仅存在于趋肤层中，而不能深入到等离子体内部。当外磁场存在时， 射频天线激发的波能以行波的方式传输到等离子体内部。 1 2 3 1 射频感应耦合等离子体的天线 按照感应耦合天线的类型可将感应耦合等离子体分为两类，一种是平面感应耦合等 离子体n h 忱1 ，线圈绕成一个平面置于放电室顶部，在真空室上部形成高密度等离子体， 一种是柱面感应耦合等离子体，线圈围绕真空室n 3 1 或者在真空室内部n 4 1 副，每匝线圈都 能产生等离子体，所以在整个线圈包含的体积内都能产生等离子体。如果线圈置于真空 室内部，溅射的线圈原子可能会引入杂质原子而影响沉积薄膜的质量，对于外置的天线， 也可产生高密度等离子体，是一种很值得研究的类型。 等离子俸源真空室 a ) 柱面天线 大连理工大学博士学位论文 同 b ) 平面天线 傩 源真空室 ( 金属桶) 图1 1 两种典型的射频天线 f i g 1 1t w ot y p i c a lr fa n t e n n a s 如图1 1a ) 是柱面天线的情况，等离子体在线圈包含的区域内产生等离子体，1 1b ) 是平面天线的情况，等离子体是由最上方的线圈产生的。 1 3 溅射沉积技术应用与发展 1 3 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 o l 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。 会切场约束i c p 增强非平衡磁控溅射放电及应用研究 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，还有少量粒子等) 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o 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u 7 l 。 1 3 2 典型溅射沉积方法 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 0 - - 一1p 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氛( 0 ：，h ：0 ，n 。，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问的距离通常在2 - - 6a 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n8 l 。 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 6m h 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 大连理工大学博士学位论文 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 - 一1 5k w 左右) ，溅射速率较低。 3 平衡磁控溅射和非平衡磁控溅射： 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h 朝。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 c ) 。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 会切场约束i c p 增强非平衡磁控溅射放电及应用研究 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o 5um m i n 。 i o nc u m m ta 幢雏曩竹 m 剧c l r t 2 融，s 豁嘲罐绻撩。l h h h h h h h 一目h h m * q m h h 日k w * l c o n v e n f l o m t lf 瓤j n e t r o n ( b a l a n c e d m a g a e t r o n ) 图1 2 平衡磁控溅射 f i g 1 2b a l a n c e dm a g n e t r o ns p u t t e r i n g 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 2 ，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 一般局限在离靶6 0m 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，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的推广。 大连理工大学博士学位论文 i o nc u r v a md e n s i t y tm a f c m 2 t y o t k - iu n b a l a n c e d m a u n e t r o n i o nc u r r e n to 孥n 荔脚 2 - 1 0r n n c m 2 t y p e - 2u n b a l a r t c 聪 m 姆n o t , o n 图1 3 非平衡磁控溅射磁场对等离子体的约束 f i g 1 3t h ec o n f m e m e n to fu n b a l a n c e dm a 9 1 ) e t r o ns p u t t e r i n gm a g n e t i cf i e l do i lp l a s m a 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 z ， 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 3 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外围磁极强度低 于中心磁极强度的情形，由于不能对电子有很好的位形约束，在实践中应用较少。第二 类非平衡磁控溅射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，而离子从靶运动到基片经历一些碰 撞过程，造成离子能量损耗，因此基片附近的离子能量不致过高，从而减少对膜的破坏； 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。但由于非平衡磁控溅射的等离子体密度仍然比较低， 且放电空间较小，不适于沉积出大面积、高质量的薄膜。 4 射频增强平衡磁控溅射： 射频电感耦合等离子体( i c p ) 增强电离由于其无需外加磁场，装置结构简单，更 适合于实际应用；其平面天线适于源的大面积扁平设计，便于多元阵列线性放大。因此 不仅在微电子器件刻蚀工艺，而且在大尺寸平面显示器刻蚀工艺、薄膜沉积、宽束强流 会切场约束i c t 增强非平衡磁控溅射放电及应用研究 离子源、全方位离子注入等方面得到重要应用，成为大面积均匀、低气压、高密度等离 子体源的重要技术。但由于没有对等离子体的有效约束，使得在提高等离子体的电离度 的同时，也引入了对放电室器壁的污染问题。最主要的是基片与靶的间距小，放电空间 小，一方面限制了轰击到基片上的离子流密度的提高，尤其是溅射的物种在等离子体空 间得不到充分的电离和激发，限制其化学活性的提高。 国内关于将射频磁控溅射用于制备薄膜的技术已经有所应用，刘红飞等人用射频磁 控溅射制备t a l 。0 3 薄膜啪1 ，王玉恒等人用射频磁控溅射法制备了s n 0 ：s b 薄膜瞳，赵云清 利用射频磁控溅射法在s i 基片上沉积t h f o 。薄膜拉2 | ，黄宝歆用射频磁控溅射法制备金属 半导体颗粒膜乜3 l 。而有的已将i c p 与磁控溅射结合起来做成了制备薄膜的成形装置，如 t x z 5 0 0 2 型射频磁控溅射镀膜机等晗 矧。 国外也有研究者将射频用于增强平衡磁控溅射中，如h d n a 和h s p a r k 啪1 采用 i c p 辅助直流磁控溅射沉积了t i n 。膜，通过等离子体诊断，发现i c p 增强磁控溅射的等