薄膜电感的制备研究.doc

薄膜电感的制备研究 苏州大学硕士学位论文薄膜电感的制备研究姓名:邵新勋申请学位级别:硕士专业:材料物理与化学指导教师:狄国庆2002.5.1薄膜电感的制各研究 摘要摘要,/为了得到在更高频率下适用的薄膜电感,在本实验中我们尝试制作了栅极型空心薄膜电感械们采用掩膜法,通过磁控溅射制各样品,在不加磁性材料的情况下,适当选取线圈形状参数来得到较大的电感,由于形状参数的改变不影响样品的适用频率,因而也能达到增大品质因数值的目的。此外为提高单位面积的电感量,我们还尝试将两个分层的线圈串联,使电感值有明显的增大。本实验中制作了单个线圈的样品和样品以及串联的样品和样品,文中报告了这些薄膜电感的电感、电阻和值在.范围内的频谱特性。在此频率范围内,四个样品的电感值显示了平稳的频率特性,其数值分别为、;电阻在咀下也保持平稳,分别为、,在这个频率以上,电阻由于高频趋肤效应而有一定的增大;值在一之间在以上,并且在附近样品、的值分别达到最大、,样品的最大值出现在附近,其值为。作为薄膜电感的应用,我们制各了薄膜变压器,通过简单的测量可知虽然耦合系数和效率不是很高,但它还是具有较好的发展前景。关键词薄膜电感掩欺栅极型磁控溅射品质因数研究生姓名:邵新勋导师姓名:狄国庆薄膜电感的制各研究摘要?. . ,., ., .,? ,. , ,; . ;,. . .:薄膜电瘪的制备研究第一章 序第一章 序.研究背景随着电子线路的集成化和小型化的发展,人们要求电子元器件的尺寸尽可能小,应运而生的薄膜电感具备物理体积小,电流密度大,工作频率高以及能量损耗小等优点,因而由它可以制成片状滤波器,平面变压器,应用于笔记本电脑、数码相机、通信电源、汽车电子等领域。由于薄膜电感是电子器件的基本组成部分,所以对它的研究成为一个磁性和半导体集成、混成器件的开发热点。早在年,? 】等人就研几种形状的薄膜电感,其中的螺旋型和栅极型因性能较住而成为今后人们研究的重点。其中栅极型电感的值在.一之间保持平稳,大小为:电阻在.之间稳定在左右。但它的品质因数/却比较小,只在左右。如此低的值使样品与实际应用存在较大的差距。但是不管怎样,他们的这种开拓性的研究为今后的研究奠定了基础,也指出了改进的方向。年.等人采用较细的导线以及磁性细棒分别作为经线、纬线编织起来构成电感。这种电感与.所做的相比体积大,所以它的电感值也较大,可以达到量级,当细棒长度为.,直径为.时,电感值在左右。而且它的值在时能取最大值,但它的适用频率较低,只能达到几百,这还不能满足科技发展的需要,而且结构复杂,制作比较困难。比较上述两种样品,.的值太低,这与样品的结构有关.电感中有较大面积、较厚的磁性材料层和介质层,在较高频率下的涡流损失是非常明显的。而.的样品中金属导线与薄膜厚度相比又太粗,高频趋肤效应也很显著,因而它的适用频率就很低。如何妥善地解决这个问题呢.列等人做过这样的尝试,为了减少磁性层的涡流损失,把磁性薄膜分割成若干小块,同时这样的做法还能够大大提高样品的使用频率。他们的样品电感值可达到近,工作频率则可达到,电感值与文献【】相比没有提高,但从频率角度来看无疑是一个飞跃。在我们研究的薄膜电感中,往往会有磁性材料的出现,但其磁导率会随频率薄膜电感的制各研究第一章 序的升高而降低,到某一频率会出现铁磁共振吸收,因而限制了电感的使用频率,所以磁性材料的选取要考虑到以下几个方面的要求:磁导率高,尤其是在高频情况下,饱和磁化强度高,矫顽力低,损耗低,共振吸收频率高。当然由于材料共振吸收频率的限制,使得传统的绕线式电感使用频率最高只能在几十的量级,但是在薄膜电感中情况有所改善,或者还可以再作结构上的调整以及一些后处理,能够达到提高电感的适用频率。如大沼繁弘】做的样品电感值从到均保持平稳的特性,在值取最大约为。而山口正洋最近所做的样品能在近的高频下保持稳定的的电感值和左右的值。他们的研究又将薄膜电感的适用频率进一步提高,使薄膜电感更具有应用性。但随着通讯事业飞速发展,会要求更高的使用频率,再提高磁性材料的共振吸收频率,技术上显得有点困难。.研究的和方法我们希望得到在更高频率下适用的薄膜电感,.的文章【】给了我们启发,他在同样的条件下制作了同样结构的两个薄膜电感,它们的区别仅在于一个加磁性层,另一个没加,加磁性层的电感值较大,约,而空心的电感仅,但是前者的最高适用频率为,而空心的却能在保持稳定的频率特性。所以我们设想,在制作过程中,避免使用磁性材料。空心的薄膜电感的电感值和电阻值都能在较宽的频率范围内保持着平稳的频率特性,其适用频率比较高,因此它的品质因数也比较大。而磁性材料则有增大龟感的效果,有磁性材料的薄膜电感值往往比较大,但对于小尺寸的薄膜电感来说,它的效果不如传统的绕线式电感那么明显,如】曾经报道过他的实验结果,并对此作过理论的说明:磁性材料的添加,对电感值的增大幅度在两倍以内。为了薄膜电感的高频应用,我们在实验中采用的方法是不加磁性材料.制作空心的薄膜电感。但是磁性材料对电感值有增大作用,所以在不加磁性层的情况下,如何来增大电感值将成为我们研究的重点。我们可以通过适当选取线圈的形状参数来达到此目的。这样做的好处在于不影响其适用频率,因而电感的增大也会导致品质因数的增大/。比如.曾经用光刻技术制作过栅极型薄膜一?。?”。?薄膜电感的制备研究 第一章 序电感,他研究了这种电感中的导线之间的间隔对电感值的影响,当间隔为时,电感值为,当间隔为时,电感值为,当间隔为时,电感值为,由此可见,电感值随间隔的增大而增大。荒井贤一【和山口正洋【对此问题均有进一步的阐述:在线间间隔更宽的情况下,电感值仍保持增大的趋势。图中虚线是理论计算的结果,它与多个实验所测的点能够较好的吻合。除了线间间隔之外,影响电感值的还有线圈的大小,山口正洋等人做过.的螺旋型电感样品,其电感值仅为.尺寸越小,则电感值越小。我们在实验中还发现,线圈的厚度对电感值也有影响,厚度大则电感小,适当地减小厚度可以达到增大电感的效果。当然厚度的减小是有一定的限制的,因为薄膜导电材料必须要达到一定的厚度,这个厚度叫做特征厚度】?。小于此厚度时,表面散射和晶界散射等因素会造成薄膜电阻率随厚度减小而呈指数关系增大的结果?。通过线圈形状参数的适当选取,我们可以得到较大的电感值,从而也可以得到较高的值。但是增大尺寸与我们器件小型化的要求相矛盾,而厚度的减小又受到特征厚度的限制,线间间隔的增大也会导致电感尺寸的增大,所以为了能够在线圈面积不变的前提下进一步提高和,我们尝试了一种新的方法,即把两个相同的线圈串联起来,让它们完全正对的迭加在一起,这样做的好处是它对薄膜电感尺寸上的影响仅在厚度上,而电感的厚度是极小的,在厚度上迭加对其尺寸影响不是很大。当然我仃对电感值、适用频率以及值的要求不能是片面的,我们必须根据具体的要求来综合考虑各个因素。我们的研究是希望得到适用于以上频率的高品质因数的电感,所以我们就必须向着这个方向努力,在我们的实验中的确取得了较好的结果。在实验中还必须考虑它的可行性,所以我们没有采取其他报告所说的半导体制造技术,而是用掩膜法,也就是在基片表面覆盖一定形状的掩膜片,再通过射频磁控溅射制各样品,通过掩膜形状的改变可以得到不同形状的线圈。本实验主要研究的是栅极型薄膜电感。总之,所有的研究都在于缩小薄膜电感与实际应用的差距,其目标是得到易于生产的、适用于高频的高品质因数的薄膜电感。纵观其发展历史,在这些方面薄膜电感的制各研究第一章 序黼巨大的进步,但它的发展是无止尽的,我们必须努力追求更好的品质。第一章 序薄膜电感的制备研究参考文献. ,】. .?,.一,.,.,【.?,.一,.,. .,【】 .,.,.?,. ,., ,.,日本应用磁学会】.,.,.,志. ,.?,?】.,.,.,.,.,日本应用,.?,?磁学会志】. .,【,.,., ,. .,【.,.,?,.,.,?】.,日本应用磁学会志.,.,.,. .,日本应用磁学会志.一,.陶明德等“非晶薄膜的特征厚度,薄膜科学与技术,.,?【范平超薄金属膜的电导特性,金属学报,.,.,第二章 研究方法薄膜电感的制各研究第二章研究方法.样品制各不同实验方法的选取将对实验结果有不一样的影响,不同的工艺参数也会有不同的效果,所以我们可以根据需要选择合适的实验方法。当然,同时需要考虑的是实验的可行性以及在我们可达到的条件下的实验结果的可观性。综合考虑多方因素,我们采用的方法是先制作掩膜,然后用射频磁控溅射的方法沉积薄膜而制成。.掩膜的制作我们将掩膜盖在基片上进行溅射,所以要求掩膜与基片能够很好地贴合,因而制作掩膜的材料必须平整。由于溅射时是高能粒子撞击其表面,又要求掩膜耐高温,不易变形。此外,掩膜还不能太厚,否则其侧壁会阻碍溅射粒子沉积到基片表面。综合上述因素,我们用厚度为.的铝合金薄板为原料加工掩膜。掩膜的外形设计其实主要就是指薄膜电感中线圈形状及尺寸的设计。就其外形来看,最为常见的有如图.,所示的两种。叫螺旋型,叫栅极型。?”一。;:;,?二蠖 嘲髂 畦图.栅极型图.螺旋型这两种形状从结构上来看较为简单,制各的工艺不是特别繁复,有较强的可行性,而且关于这两种电感的研究较多,这就给我们的实验奠定了一定的理论基础和技术支持。薄膜电感,无论是螺旋型还是栅极型,虽然其结构与传统的螺线管电感并不相同,但它产生电磁感应的原理还是不变的。当穿过导体回路的磁通量发生变化薄膜电感的制各研究第二章 研究方法时,回路中就产生感应电动势。法拉第电磁感应定律这样表述:导体回路中感应电动势占的大小与穿过回路的磁通量的变化率成正比,占。掣,或:一掣,其中是比例常数,它的数值决定于式中各量的单位。如果的单位用韦伯,时间单位用秒,的单位用伏特,则,占:一掣,式中的负号代表感应电动势方向。电动势和磁通量本身都是标量,它们的方向更确切地说,它们的正负只是相对于某一标定方向而言的。为了描述电动势的方向,先得标定回路的绕行方向。有了它,电动势取正值表示其方向与此标定方向一致,取负值表示其方向与此标定方向相反。磁通量矽是磁感应强度矢量沿以回路为边界的曲面的积分,占的正负有赖于此曲面法线矢量方向的选择。选定方向之后,若与的夹角为锐角,则取正值,若与夹角为钝角,则为负值。有了的正负,其变化率兰的正负也就有了确定的意义。设在时间隔内的增量为庐出一庐,若正的庐随时间增大或负的的绝对值随时间减小,则庐,掣,反之,则,掣。至此我们按照两个标定方向,即回路的绕行方向和曲面的法线方向,赋予了两个代数量?电动势和磁通量庐的正负含义。但这里每个标定方向本来都有正、反两种可能的选择。按照通常的习惯,我们规定如下右手规则,将右手四指弯曲,用以代表选定的回路绕行方向,则伸直的拇指指向法线的方向。有此规定之后,两个标定方向就只能任选其一了。在任何情况下,而且无论回路的绕行方向怎样选择,感应电动势的正负总是与磁通量变化率掣的正负相反。又根据楞次定律所述,闭合回路中感应电流的方向,总是使得它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化,感应电流的效果总是反抗引起感应线圈自身产生感应电动势。这种因线圈中电流变化而在线圈自身引起的感应现象叫做自感现象,所产生的电动势叫做自感电动势。线圈中电流所激发的磁感应强度与电流强度成正比。因此通过线圈的磁通匝链数也正比于线圈中的电流强度,即工。为比例系数,与线圈中电流无关,仅由线圈的大小、几何形状咀及匝数所决定。当线圈中的电流改变时,也随之改变,按照法拉第定律,线圈中产薄膜电感的制各研究第二章 研究方法生的自感电动势占:一上掣,由此式可以看出对于相同的电流变化率,比例系数越大的线圈所产生的自感电动势越大,即自感作用越强,比例系数称为自感系数,简称自感。而在两个线圈之间,线圈中电流变化时所激发的变化磁场会在它邻近的线圈中产生感应电动势,这种现象称为互感现象,所产生的感应电动势称为互感电动势。显然,一个线圈中的互感电动势不仅与另一线圈中电流改变的快慢有关,而且也与两个线圈的结构以及它们之间的相对位置有关。设线圈所激发的磁场通过线圈的磁通匝链数为中,按照毕奥一萨伐尔定律,】与线圈中的电流强度成正比,中】,同理,设线圈激发的磁场通过线圈的磁通匝链数为 ,有 】。其中,、是比例系数,它们由线圈的几何形状、大小,匝数以及线圈之间的相对位置所决定的,而与线圈中的电流无关。当线圈中的电流强度改变时,通过线圈的磁通匝链数将发生变化。按照法拉第定律,在线圈中产生的感应电动势为岛一壁一.,:百。同理,线圈中的电流强度改变时,在线圈中产生的感应电动势为毛一争一肘:,警。由此两式可以看出比例系数,和,越大,互感电动势就越大,互感现象也越强,【和称为互感系数,简称互感。理论和实验都可证明和相等,一般用来表示,即。而不再去区分它是哪一个线圈对哪一个线圈的互感系数。因此,在两个具有互感的线圈中,若线圈中的电流变化率相同,则分别在另一线圈中产生相等的感应电动判”。不仅线圈存在这种感应现象,通以交变电流的载流直导线也会有自感和互感,在薄膜电感中,如图.所示.是螺旋型薄膜电感的示意图,它的总的电感应该是每一段直导线的电感的合成,其中应当包括各段导线的自感和各导线间的互感【。薄膜电感的制各研究第二章 研究方法图.螺旋型电感线圈示意图用。表示段直导线的自感,。表示段导线中电流变化使通过段导线的磁通变化而引起的感应。如前所述,。.。对于两平行导线它们之间的互感,当电流相同时,取正值,当电流相反时则取负值。因此,对图.所示的电感来说,总的电感值, .,.,。 任意线圈的总电感值的一般表达式为。 是各直导线自感的总和. 是互感的总和,包括正的互感和负的互感。对于上图所示矩形边框的螺旋型薄膜电感,有?.。【/./,式中是导线长度,、是矩形的长和宽。/【】总卜【/忍/?为互感参数,是导线长度,是两导线之间的几何意义距离,它近似地等于两导线中心之间的距离,它的精确值为:./【/ /【/是导线宽度,是导线之间的间隔。我们可以根据上述各式来近似计算螺旋型薄膜电感的理论值,并与实验的测量值进行比较。薄膜电感的制备研究 第二章 研究方法栅极型薄膜电感的计算也是基于同样的原理【】,总的电感值也是由各段导线的自感和各导线间的互感之和。用表示总的电感值,表示一段导线的自感,代表某两导线之间的互感,则有一 一 .卜” 盯 峨 以 代表线圈中包含的接近闭合心路的个数,。是指每段导线的长度,是导线的宽度,。是导线的厚度,式中沼,“,?叫。南?,半?。,。,。,也以,以/扛百而可?/。/。协,?,伽曲堪,一喜志彘门。是导线之间的间隔,如图.所示,和前面提到的一样,是几何意义距离.其中长度单位为,电感的单位是。图.栅极型电感线圈示意图根据上述两种绕法的薄膜电感值的理论计算可知,电感的大小与导线长度。,导线宽度。,线圈间隔以及导线的厚度有着密切的关系,因此在制作掩膜片要根据需要适当选取这些参数。的值直接影响电感的大小,。越大,电感自然也越大。尽管很多场合需要电感的尺寸很小,但在本实验的前期阶段,为薄膜电感的制备研究 第二章 研究方法了实验的可操作性和使实验现象更加明显,我们选定了较大的。值。山口正洋【等人的研究表明,无论是螺旋型还是栅极型薄膜电感,其电感值对导线之间的间隔都是敏感的。如图.所示,螺旋型电感随着间隔增大而减小,而栅极型则恰好相反,随着间隔的增大而增大。图中的点是实验测量值,而虚线是计算值,实验值和计算值能够较好地吻合,这也给我们的研究提供了较为可靠的依据。一嚣一卜.图线间间隔与电感值的关系曲线以上是空心薄膜电感值的计算方法和原理,对于加入磁性层的电感,比如螺旋型薄膊电感,它的计算式是这样的:?式中是导线的最外围的边长,是磁性膜的边长,是匝数,是导线加绝缘膜的厚度,是磁性膜的厚度,“是真空磁导率,是相对磁导率。栅极型薄膜电感的计算,其算式为:.:?塑二?。?一:堡型二鳖。一同样,式中字母与上述具有相同的意义引。薄膜电感的制各研究第二章 研究方法.溅射及原理.气体中的放电关于气体放电的第一个模型是在年由汤森德提出的。典型的气体放电伏安特性测量装置如图.,结果如图.。二川,一? 一卫一 岔刮叫 乳:矗 .西。 、,一 ,一 一,、图气体放电的伏安特性 图.气体放电时的典型测量装置示意图 伏安特性段表示电压从零逐渐增加,出现很微弱的放电电流,约量级。最初的电流几乎是恒定的,其荷电粒子产生于外界的电离源,例如宇宙线、放射线产生的电离。随着电压的增加,电子在电场中获得的能量大于气体原子的电离能时,原子可被碰撞电离,从而使放电电流增加,但仍很微弱,也看不到发光的现象,这一阶段的放电称为非自持暗放电。一旦外加电离源离去,电流就立即停止了。电压增人到点啊,放电电流迅速增人,始出现微弱的光辐射,此时放电开始出现自持特点。此处的电压称为击穿电压,段称为自持暗放电。这时放电主要靠雪崩式的碰撞电离,在去掉外界源后也可以保持电流。点之后,随着放电的不断发展,放电电流发生激增,这是线路中的电压降会重新分配,限流电阻上压降受大,放电两电极之间压降相应变小,此时伴有明亮的辉光。这种现象常作为气体击穿的标志。放电发展到点之后达到稳定的状态。从点开始转入正常的辉光放电之际,阴极表面只有一部分发光,即所谓的阴极斑点。这部分斑点对应着有效函数小的金属面。随着放电电流增加,阴极斑点面积按比例扩大,而电压保持不变,出现段的水平线。段放电状态称为正常辉光放电。第二章 研究方法薄膜电感的制各研究当阴极斑点覆盖整个阴极表面后,电流再增,电压也增加,这一段称为异常辉光放电。一般的离子镀和溅射镀都工作在此区域。电流增大到点,阴极的电流密度很大,形成了很强的电子发射过程,空间电阻变小,很容易过度为弧光放电,由开始进入弧光放电区。此区中电压很低,放电电流很大。在以上各放电区域中,辉光放电是溅射镀膜的基础。它是靠离子轰击阴极产生二次电子维持放电,其过程是:冷阴极受到正离子的轰击,释放出大量的二次电子;阴极产生的电子数足以补充消失在阳极上的电子时,放电就可以自持。由于冷阴极发射时,从阴极发射的电子能量很小,不能产生电离和激发,所咀在阴极附近形成所谓的阿斯顿暗区。使用和之类的气体时,这个暗区很明显。对于其它气体,这个暗区根窄,不容易观察到。电子在阿斯顿暗区之后,因电场加速而具有了较大的动能,能使气体分子激发发光,这部分就称为阴极辉光。电子在电场中获得的能量不断增加,使气体分子电离,从而产生大量的离子和低速电子,这个区域也不发光,称为克鲁克斯暗区。以上三个区总称阴极位降区。在阴极位降区中,正离子以高速打到阴极上,产生二次电子发射,电子咀很高的速度向阳极方向运动,形成电子繁流,因而此区是维持放电不可缺少的。在克鲁克斯暗区后,低速电子加速并激励气体分子发光,即负辉光区。在负辉光区中,发光最强。人们可以根据该区的颜色和亮度来判断溅射状况和溅射原子密度。法拉第暗区和下柱区几乎没有电场,其唯一的作用是连接负辉光区和阳极。各个区的位置如图.所示。?玲蛭顿暗援 一?酬极端:区完纷克新暗 ?一受辉区?法拉第暗逛一一等离子体止【.一戮梭鹣. ?一鼯梭簖珂图.正常辉光放电的外貌筻二章 研究方法薄膜电感的制备酽究有两个主要因素与溅射现象有关:一个是在克鲁克斯暗区周围所形成的正离子冲击阴极,把阴极物质溅射出来,此即一般的溅射法,而阴极在被冲击过程中产生二次电子维持放电;另一个是当两电极间的电压不变,而改变两极间距离时,有等离子体构成的阳极光柱的长度则随之改变,但从阴极到负辉光区的距离是不变的,这是由于两极问电压的下降几乎都在阴极和负辉光区之间的缘故。辉光放电分为正常辉光放电和异常辉光放电。正常辉光放电时,阴极表面上只有局部发光,也就是只在一部分阴极表面发射电子,这部分发射电子的阴极表面称为阴极斑点。当电流增大时,阴极斑点的面积随之增大;但电流密度和阴极位降则不随电流的改变而变化。放电的其他条件保持不变,阴极位降区的长度的变化与气体压强成反比。异常辉光放电的情况有很大不同,异常放电时的阴极斑点已经覆盖整个阴极表面,电流的进一步增长,必然会导致电流密度成比例的增加;而电流密度的增加会引起电场的进一步畸变,会使阴极位降区的长度不断减少,维持放电所必须的阴极位降也将进一步提高。在这种情况下,撞击阴极的正离子的能量和数量都比正常辉光时大,溅射作硐也就强得多。正因为如此,人们利用异常辉光放电进行溅射镀膜。对异常辉光放电的形成起决定性作用的是着火电压。对于一般的平行板系统,如气体的成分和电极材料一定,气体恒温和冷电极条件下,着火电压是气体压强和电极距离两者乘积的函数。改变时,也随之改变,但有一极小值,可通过得到。此规律称为帕邢定律。相应的的关系曲线称为帕邢曲线。在大多数辉光放电溅劓过程中,压强与极间距离的乘积正好在帕邢曲线最小值的左边,因此需要高一些的启动电压。若在极间距离小的电极结构中,常需增大气压,才能使放电得以瞬时启动。.溅射原理辉光中阴极暗区产生的离子会冲击阴极,使阴极材料跑出表面去。一段时间以来,曾认为靶利粒子的逸出是高能离子碰撞引起靶面局部汽化的结果。由此可推测出溅射原子的角分布应遵循余弦分布定律。这种理论被高能入射离子的溅射实验结果所证实。但以后又用中低能离子实验,发现溅射原子的角分布并不完全符合余弦定律,而是还与入射离子的方向有关。在垂直方向逸出的溅射原子数目明显小于按余弦分布应有的数目。后来又在单晶靶上发现余弦分布完全不满足实第二章 研究方洁薄膜电感的制备研究验结果。后来逐步发展起来并在目前最广泛采用的是级联碰撞模型。在此模型中,入射离子与靶原子发生碰撞时把能量交给靶,在准弹性碰撞中通过动量转移导致晶格原子的撞出,形成级联式的碰撞。当级联至靶表面时,如果表面粒子获得了大于逸出功的能量,这些粒子就会被“溅射”出。很明显,高能粒子通过级联碰撞“溅射”出的粒子数目,即溅射率,并不总是随其荷载的能量变大而交大的。因为虽然太小的能量不足以使靶材粒子跑出来,太大的能量却又会使高能离子注入到靶材中去。溅射率不仅与入射粒子的能量有关,还入射粒子的种类及入射角有关。一般来说,惰性气体比其它气体的产额要高,这可能是因为惰性气体与靶材不易结合。对于特定的靶材和入射粒子,有一个最佳的入射角,大于此值,溅射率便迅速下降,直到入射角为时,溅射率下降到。另外,溅射率还与所应用的靶材有关。一般来说,就金属而言,溅射率随靶材壳层电子填满程度的增加而增加,即、卧等溅射率最高,、的溅射率最低。.直流溅射与射频溅射例疆.缀轼板翼审帑.“灌气体:接爱象统.靠垤蠢泷五邑滁图.直流二极溅射示意图典型的直流两极溅射装置如图.。把膜料物质作为阴极靶,接上高压直流。支持基片的基板为阳极,接地。在几帕的气氛中,启动气体放电薄膜电感的制各研究第二章 研究方法到异常辉光区。由放电形式产生的正离子在阴极电位降的作用下加速并轰击靶面引起溅射。用基片承载这些被溅射出来的粒子就可以形成薄膜。显然,这种装置结构简单,操作方便。但是,因为直流辉光中气体的离化率低,放电电流密度很小,因此沉积率不高。另外,离子轰击阴极,产生的大量的二次电子直接轰击基片使之升温,并且高能轰击本身就会损伤基片。还有,直流两极溅射因气体离化率低,维持辉光必须在较大的工作气压下进行,工作气体可能对膜有污染。如果降低气压.又会使辉光区变长,以至达到阳极表面,使辉光熄灭。因此,直流二极溅射目前已不用作独立的工艺设备,为此产生了三极和四极溅射。它们都是在二极溅射基础上增加热阴极和阳极,在两个电极之间产生低压大电流电弧,从弧光中获得大量的电离粒子。在热阴极和阳极相对的两侧,放置正常的二极装置,吸引弧光中的离子到靶面去,溅射出的粒子又穿过弧光而到达基片。三极与四极溅射的区别就在于是否有稳定放电用的稳定电极。采用三极或四极溅射,工作气体压强可以降至.,电流密度可以比二极溅射提高倍以上,因此沉积率较大,膜质也有所改善。但是,靶面出来的二次电子对基片的损伤还是无法消除的,由于热阴极处的热电子发射破坏了等离子体中电位的正常分布,大面积均匀的等离子体区的获得是不可能的,而且热阴极灯丝物质的挥发也会污染薄膜。因此,这种设备的使用日渐减少。直流溅射还有一个最大的特点,即只能溅射导电性能良好的物质。如果溅射介质,离子轰击的结果将使靶材上积累大量的正电荷并使靶面电位逐步升高,最终使靶.基板问的压降小到使辉光熄灭,溅射将无法继续进行。即使有时辉光并不至于熄灭,一些更易积累电荷的地方也会引发异常的放电,使膜质变差,为此产生了射频溅射以解决绝缘靶溅射的问题。射频溅射装置与直流类似,只是电源换成了剩频源。为了使功率有效地输入到靶一基板之问,还有一套专门的功率匹配网络。这种装置的示意图如图.。习惯上,还称放置靶材的电极为阴极,放置基片的电极为阳极。在两极之间加上高频电场.后,电子在振荡电场作用下的运动也是振荡式的,因此与气体碰撞的几率大大增加,气体电离几率也相应提高。这样,用于维持放电所需电子完全可由放电空间中电子碰撞电离产生,不需要从阴极发射大量电子来维持。由于电子与气体分子碰撞几率增大,从而使气体离化率变大,所以溅射第二章 研究方法薄膜电感的制各研究可以在.甚至更低的气压下进行。誓蠢川。:厂。离图.射频溅射装置示意图一般来说,.变化的周期要远小于放电空间电离的时间。这使得等离子体区来不及消电离。因此溅射的两个电极不是交替地作为阴极和阳极的,而是整个空间稳定在一种不变的放电形式?在电极附近的发光情况类似于直流辉光放电中的负辉区,在中问韶分则配置着与正柱区相对应的发光区。对这种装置下绝缘体的溅射情况解释是这样的:实用的溅射系统中,常采用非对称性平板型结构。把高频电极接到小电极上,而将大电极和屏蔽罩等相连后接地作为另一电极。这样,在小电极处产生的暗区电压降比大电极板的暗区压降要大得多。由于大电极的面积大到足以使流向它的离子能量小于溅射阈能,所以在大电极上将不会发生溅射。因而用小电极做靶,而将基片放蔑在大电极上,就可以高频溅射镀膜了。高频放电可以有两种形式,如图.所示,为利用两极间的高频电场产生气体粒子的电离而放电;为利用高频电流流过线圈,在线圈中产生磁场,从而产生磁感应电场,由此电场产生放电。前者称为电场型,后者称为磁场型。旁、。/:.一母、圆广、;,产;、峥、/,一图.高频放电的两种形式薄膜电感的制备研究 第二章 研究方法对于电场型,假定高频电压为 ,极间距离为,则极间的高频电场为/。对于磁场形,假定线圈中的电流为,单位长度的线圈匝,半径为的圆周上的电场为:数为,则磁通密度为熊? ?.酬:/ .在一定条件下,例如电极结构,极间距离,真空室直径的大小,充气的气体种类和气压以及电源的频率己确定,为了产生放电和维持放电,均需一定的高频电场。对于电场型来说,当气压和频率足够高时,电子在极间来回振荡的路程比小得多,此时若两极置于真空室外,也能产生高频放电。由于电子在极间来回振荡,不断从电场吸取能量,在与溅射气体原子碰撞过程中,电子具有足够的能量产生电离,即使在电场较弱的情况下,电子也能积累足够能量来产生电离。因此射频溅射可在比直流溅射更低的气压下维持放电。在高频放电时,等离子体中电子由于它的迁移率高于正离子的迁移率,因此当靶电极通过电容耦合加上高频电压时,到达靶的电子数目将远大于正离子的数目,因此逐渐在靶上有负电荷积累,使靶处于直流负电位。在平衡状态下,靶上的负电位排斥电子,从而使到达靶的电子数目与正离子的数目相等,在靶上形成了一个稳定的负的自偏压,从而使靶材受到离子轰击的时间和电压都会增加。对绝缘靶的溅射还有一种简单的解释即认为绝缘靶的两面形成了电容,由于电容的作用,可使靶面形成一个直流负电位.即负的自偏压,从而使靶材受到离子轰击的时间和电压都会增加。.磁控溅射为了限制靶面上二次电子对基片的损伤,有必要约束电子,使之只在靶面附近运动,这样既可以保护基片,又可提高靶面附近气体的离化率。磁控溅射正是为此目的而出现的。磁控溅射的基本原理是洛伦兹定律,即掣:壁:堑,这里苡岂、占分别是电子的速度矢量、外加电场矢量和磁感应强度矢量。此运动方程实际可以分成两个运动方程,其结果是电子一方面以回旋频率珊,:竺作旋转,另一方面又薄膜电感的制各研究 第二章 研究方法以速度/作漂移.漂移的方向与电场和磁场都垂直。在磁控溅射中电子漂移的径迹称为“跑道”。典型的平面磁控方式如图.所示。,.;申图.平面磁控溅射装置示意图这种装置与直流二极溅射类似,所不同的是在阴极靶的反面设置了磁铁。磁铁使阴极靶上形成了一个闭合的环形磁场.它横贯跑道,与电场垂直。于是,跑道区便是一个与磁铁同心的圆环。电子在这样一个闭合的跑道上运动,使得电离碰撞的次数增加,因此即使在较低的溅射气压和电压下也能维持放电。由于电子沿闭合跑道前进,直到能量几乎耗尽才会脱离磁约束,落到基片上,因此基片温升低,损伤小。同时,高密度等离子体被磁场约束在靶面附近,抑制了高能带电粒子对基片的轰击。磁控溅射还具有较高的沉积速率,这主要是由以下几个原因引起的:、运动电子被约束在靶而附近,气体电离几率变大,离子电流较大。、磁控溅射的常用靶面电压为左右,一般金属材料的功率效率,即溅射速度与靶的功率密度之比,在此电压附近最大,因此效率较高。、因降低了工作气压,使溅射粒子向靶的逆扩散得到抑制。.样品评价.测试方法.膜厚测量薄膜的厚度是薄膜的最重要的基本参数之一,因为它影响着薄膜的各种性质和用途。在我们的研究中,膜厚对电感值的影响也是我们关心的问题之一。而实薄膜电感的制备研究 第二章 研究方法验中的膜厚约在微米量级,在这种情况下,用普通测量方法是不可行的,因而膜厚的测量也需要特殊的测量技术。目前有很多方法可精确测量薄膜的厚度,除台阶仪、椭圆偏振仪、干涉显微镜等外,还可采用称量法来进行测量。本实验采用的是日本公司的 型的微细形状测定器来测量膜厚。它的基本原理为一差动式磁感应传感器,将探针在薄膜表面移动的上下位置的变化转换成电压的变化,再在计算机屏幕上显示出表面轮廓或通过描图仪在坐标纸上描绘出来,如图.所示,图中的坐标表示触针相对于基片的扫描长度,点代表基片表面的基准点,点代表薄膜表面的参考点,这两点在方向的差值就是被测薄膜的厚度。,: 图. 膜厚测量示意图对于要用礅细形状测定器测量膜厚的样品,必须要有从基片表面到膜表面的一个台阶,而且这个台阶以垂直为好。我们实验中薄膜的沉积都是在加盖掩摸的情况下进行的,因而要得到较好的台阶,必须对掩模片有一定的要求。首先希望它能与基片紧密结合,这就需要掩模片也能够非常平整,而且它还不应太厚。如果比较厚就会阻碍一些并非垂直入射的粒子沉积到膜面上,降低沉积速率,还会导致膜厚的不均匀。由于我们溅射镀膜,而且所需溅射的时问太长,必然会使掩模发热,所以我们还希望掩模受热不易变形。我们测量时以基片为参考点,因此基片必须清洁平整。测量时为保证探针与膜密切接触,测量时探针上加有一定的力负载。因此用该方法测量的膜不能太软,否则膜面上容易被划出痕迹,从而影响测量精度。.电感和电阻测量薄膜电感的制各研究 第二章 研究方法通过磁控溅射制得样品后,我们关心电感的各方面的性能,实验中用公司的型网络分析仪来进行测量,其测量频率范围是?,仪器具有较高的精度。以下是测量原理:一个电系统通常有一个或多个输入端口以及一个或多个输出端口【】,像滤波器和放大器这样一些电子器件便属于这类系统。输入端信号,而输出端的信号为。还有一些较复杂的系统锁相环,尽管只有一路输入和输出,但它包含了若干个单元或子系统。每个单元或子系统都有它自己的输入和输出。设计工程师在设计该系统时可以用独立的单元和信号加以考虑。当他在设计阶段对这些独立的单元和信号进行核查时,便会用到测量仪器。这类系统在生产以及随后的现场维护过程中,也要对信号和系统单元进行测量。网络测量所表征的是系统的电路单元,而频谱测量所表征的则是在电路单元中存在的信号。例如,输出的相位噪声或寄生频率分量可能是系统性能中的关键参量,这些参量就是用频谱分析仪来测量的。类似地,在需要了解低通环路滤波器的传递特性的场合,则要使用网络分析仪来进行测量。描述电信号最直观的途径是采用时域表象方式即给出电压和电流随时间变化的关系,示波器所显示的是信号的时域表象。在时域中,各个系统单元可通过测量阶跃响应、脉冲响应或其它输入信号在输出端引起的响应来加咀表征。描述信号的另一个途径是利用频域表象方式即给出信号幅度随频率变化的关系,傅氏理论将时域表象和频率表象联系起来。适当利用傅氏级数、傅氏变换和离散傅氏变换能将时域函数变换成频域函数。频谱分析仪的选频电路能在所考察的整个频率范围内测量出信号的幅度。因此,频谱分析仪属于频域表象方式,而示波器则属于时域表象方式。网络测量要求在输入端有一个对系统的激励信号通常由测量仪器提供。这个激励信号必须覆盖宽频率范围,以使输出信号正确反映被测系统的频域性能。在大多数情况下,可采用能自动在所考察的频率范围扫频的正弦波信号源提供激励信号,但也可采用宽带噪声源。在系统的输入端加激励信号并测量输出。传递函数是输出与输入之比,两者均为频率的函数。薄膜电感的制备研究 第二章研究方法传递函数:塑 .这样便可用简单的模型来反映被测系统,亦即由输入信号和传递函数能完全决定输出信号,而不必考虑其它因素的影响。为什么要采用频域测量技术呢回答也许各不相同,但频域测量仪器的确有一些突出优点。窄带频域测量较之时域测量具有更高的灵敏度。由于测量带宽几乎可以被任意压缩,故频域分析仪能大大减少测量中的噪声数量。此外,窄带测量还能除去某些频率上的强干扰信号。现在来研究对接近理想的正弦波谐波失真的测量。频谱分析仪在测量谐波电平时,可以避开较强的基频。采用示波器的时域测量则必须同时测量信号的基频和相对小得多的谐波。用示波器进行谐波失真测量被局限到百分之几,而频谱分析仪往往允许进行.%的失真测量。某些系统原本就与频域相关。例如,电信系统中所用的频分复用系统就是利用在频域中将多路信号穿插在一起来运行的。广播电台也采用了频域多用方式,每个电台在不定期的地区占据特定的频段。无线电接收机本质上也是一个频域装置,因为它实质上是一个选频检波器。甚至一些通常未被认为具有频域特性的系统仍可能需要频域测量。例如,数字电路接线的杂散电容和电阻损耗可能限制电路的带宽和数字脉冲的速度。网络分析仪通过测量在频域中电路的传递函数来确定电路带宽。网络在频域中的特性是通过将网络分析仪的信号源接到网络的输入端,而将分析仪的接收机接到网络的输出端来加以显示的。因此,网络分析仪需要向被测器件提供所需的激励信号。传递函数是最常见的网络测量。衰减器、滤波器、放大器或其它电路的增益或损耗随频率的变化是一个重要的设计参数。传递函数通常是用对数垂直刻度分贝显示,但许多网络分析仪也提供线性刻度。水平轴是频率,可以为对数得到曲线或线性刻度。还可以显示另一些函数,如相位、群延迟、传递函数的实部或虚部。反射测量能表征被测器件输入和或输出的特性,它包括回波损耗、反射系数、阻抗和驻波比这样一些参量,并且全都是频率的函数。反射测量通常要求薄膜电唾的制各研究第二章 研究方法使用专门的附件,如定向电桥、定向祸合器或参量测试装置。分贝用来以对数方式确定功率的比随和电压的比值,也可以通过适当的参考值来确定绝对值。分贝常用于电子系统中增益和损耗的计算。大多数几乎是全部频谱分析仪和网络分析仪都用它们校准为分贝的显示器来显示测量结果。分贝在这类应用中如此普及的原因,是它能按对数方式压缩大范围变化的信号电平。例如信号和信号都能出现在动态范围为的显示器上,而用线性刻度则不可能以清晰的图形同时显示这两个信号。分贝也用于增益和损耗的计算。这时,乘法运算变为较方便的加法运算。分贝是借助于功率比来定义的。两个功率】和可以用由下式相联系:?四/只式中表示以为底的对数。上式表明,是相对于被表示的。颠倒和将改变以分贝表示结果的符号。如果功率和是从两个电阻器两端的两个电压得到的,则?僻?鬻四/十/九】乞/第一项是分贝方程的电压形式,而第二项则考虑了两个电阻的差别。若两个电阻相等,则分贝方程可以进一步简化。四 上式反映了电压本身的比值,因而常常用作分贝的定义方程。严格说来,分贝只用功率来定义。如果与每个功率电压相联系的电阻相等,那么功率方程和电压方程是一致的。若在电阻不相等时使用电压公式,便会出现错误结果。.数据处理方法薄膜电感的制各研究 第二章 研究方法我们的测量基础是一个双口网络,测量直接得到的是参数,实验的结果是利用参数与所需要的电学参数之间的关系求得的。双口网络理论为网络测量提供了理论基础。可以将双口网络理论推广到拥有多于两个端口的网络端口理论,而单端口测量实质上是二端测量的一个子集。最简单的双口测量是器件的增益或传递函数的测量,它假定了一个相当简单的被测器件模型。更复杂的双口模型如阻抗参量可对器件性状提供更好的描述,而散射参量所给出的双口模型与传输线理论和测量十分符合。散射参量或参量是在高频电常使用的一组参量,也是一组最重要的与网络测量相关的双口参量。与前述的各组