磁控溅射阴极结构与工艺-GENCOA

关于溅射阴极与工艺的分析报告关于溅射阴极与工艺的分析报告 (For Surfacility成都研修班成都研修班) Gencoa 工艺工程师工艺工程师 黄汉乐黄汉乐 (Hugo Huang)hugo 2016-10-22 GENCOA Key Company Facts GENCOA is a private limited company (Ltd) 成立于 1995 by Dr Dermot Monaghan 公司位于英国利物浦 GENCOA是一个专业做阴极，离子源，以及speedflo的公司 GENCOA目前员工38人 （是目前全世界专业只做阴极配件最多人的公司） 6 design (Creo 3D CAD) 8 process development & simulation 14 assembly & test 4 sales & tech support (2 Asia based) 其中Hugo是亚洲的工艺/产品工程师 3 administration & accounts 3 hardware & software (Speedflo) 全球销售阴极数量达3000多个 全球销售speedflo达1000台，在反应溅射控制市场占比95%以上 GENCOA 2015年新建的工厂年新建的工厂 GENCOA新工厂将 2016年3月20日落成。 总占地面积为2600平 方米 包括设计部办公室， 现代化组装厂以及 R&D实验室 Gencoa offer the following range of products & process technology for the thin film industry developed over the last 20 years Planar Magnetrons Rotatable Magnetrons Pulsed Effusion Cells Reactive Gas Control Plasma Pre- Treaters 磁控溅射的阴极类型磁控溅射的阴极类型 按形状分：按形状分： 平面圆形阴极，主要是实验室研发设 备。 平面矩形阴极，主要是生产设备（任 意长度）。 靶材旋转圆柱阴极，主要是大中型生 产设备（长度4米）。 磁棒旋转圆柱阴极，主要是管状镀膜 设备（长度4米）。 磁控溅射的阴极类型磁控溅射的阴极类型 按磁场设计分按磁场设计分 HU HU High Uniformity LS Low Strength For high vacuum sputtering process 平衡磁场 非平衡磁场 高利用率 可调平衡度 全靶面刻蚀 内回路磁场 强磁场 射频磁场 高均匀性 弱磁场 Small cantilever mounted dual cathodes Example of cathode anode and target mounting Anode Assembly (Anode Wall & Anode Assembly ) Target Clamp Assembly Diaphragm Anode is at “zero height” compared to target Low profile anode below target surface Having the anode at zero height means target thickness adjustment without a change to the anode. The unique anode design both reduces heat load on the substrate and prevents electrical shorts during operation by reduced coating build-up on the anode Integral gas injection through the anode wall single or multizone Optional anode cooling for web coating or hot chambers Example of plasma pre-treating magnetron and small double cathode For OLED and touch screens Small sources for R&D with the option of VTech fully adjustable magnetics Gencoa Retrofits - magnetic upgrades to existing magnetrons and various levels of source enhancement depending upon the needs new body/re- machining of the body new magnetic array new diaphragm system to isolate water from magnets and eliminate water leak during target change new cooling body assembly 2D magnetic field model for an High Yield type of design 2D magnetic field model for an standard 2 pole type of design Comparison of standard 2 pole and high yield type magnetics Flatter field shape = wide erosion Magnetic Option - HY Typical 2 pole magnetic design Uniformity SW350FFE Rotation speed can tune the uniformity (12” or larger FFE only) Gencoa Process Support provide complete sub-systems and process set-up support world-wide, process staff in the US, China and Taiwan Typical magnetic field shape of standard GENCOA magnet bar Plot of magnetic field strength relative to distance from the target backing tube Parallel vector to surface at centre of the race-track Gencoa magnetics are encapsulated in stainless steel housing to prevent corrosion and magnet movement The magnet bars can be adapted to fit to any manufacturers rotatable end-blocks Unique Gencoa magnetic and mechanical design built into every bar to ensure a uniform field and stability during use Gencoa Magnet Bars Gencoa high specification magnetic arrays Magnets are pre-selected in tolerance bands and final bars are scanned for quality control scans provided with each bar Primary (Main) Plasma Secondary (Side) Plasma BOC style industry standard magnetics shown not Gencoa Depending on the magnetic polarity the direction of the electron ExB drift will be different. This will shift the plasma towards one end of the rotatable. And typically the plasma density will grow from one end to the other which can lead to non-uniformities, arcing or end-block heating depending upon, field strength, power mode and target length. ExB Plasma density growing in the ExB direction GENCOA Magnetic Bars offer optional elimination of side plasmas Depending upon application Gencoa Magnet and Gas Bars Gencoa high specification magnetic arrays and gas bars for rotatable magnetrons Gencoas magnet bars for rotatable magnetrons can be adapted to fit and make of end-block. High uniformity of field 60W/cm2的使用功率密度， 要求5L/KW 冷却水的要求 冷却水的要求 功率要求 对功率密度有限制主要有以下几方面原因： 靶材导电性能影响 阴极冷却效果影响 靶材导热性能影响 工艺稳定性需要 靶材膨胀系数影响 绑定靶材效果影响 电源稳定性影响 说明：此阴极不是说明：此阴极不是GENCOA的的 抑制打火 如图是金属铝靶做氧化反应溅射的 效果，这样一般要求是使用1520天 的工作时间，需要全面清洁阳极以 及靶材非溅射区。 当然如果对溅射颗粒要求不高的， 可以到40天，比如幕墙玻璃。 定期清洁阳极 125*500mm铝靶材尺寸，反应溅射， 开6KW (9.6W/cm2)，Speedflo电压控 制400V，工作了2500KWH。 定期清洁阳极&靶面 对于陶瓷靶溅射，定期清洁 靶面尤为重要。 由于陶瓷靶材表面容易 黑化(结瘤)，所以每过 一段时间需要清洁表面 一次，一般一副靶使用 周期内清洁12次。 靶材的黑化程度与磁场 设计和靶材成份密度有 很大的关系。 清洁靶材表面时需要用 砂纸百页片打磨，把黑 化部分以及非溅射区彻 底清洁干净。 另外阴极靶座的阳极也 需要喷砂清洁。如果条 件允许，阳极还可以做 铜熔射处理保护。 平面阴极的维护成本很低，最多定期和保养设 备时，拆开清洁一下冷却水道，以及清洁清洁 非导氧化膜。 旋转阴极的维护成本相对来说高一点，旋转阴 极有一道动态水密封很重要，由于是水密封， 所以不能使用磁流体密封方式，只能是O圈轴 封或者陶瓷密封方式。但动态密封总会有一个 使用寿命的，一般厂家要求的保养周期为1年 (甚至国内某些厂家的要求是半年)，保养时需 要更换动态密封零部件。对于GENCOA的旋转 阴极，我们要求是18个月的保养周期。 溅射镀膜是利用气体放电产生的 正离子在电场作用下高速轰击阴 极靶，使靶材中的原子（或分子） 逸出而淀积到被镀衬底（或工件） 的表面，形成所需要的薄膜。 溅射的概念： 溅射镀膜广泛用于制备金属、合 金、半导体、氧化物、绝缘介质， 以及化合物半导体、碳化物、氮 化物等薄膜。 应用： 击穿电压UB： 形成“异常辉光放电”的关键是 击穿电压UB。UB主要取决于二 次电子的平均自由程和阴阳极之 间的距离。为了引起最初的“雪 崩”，每个二次电子必须产生出 约1020个离子。若气压太低或 者极间距离太小，二次电子撞到 阳极之前，无法达到所需的电离 碰撞次数。若气压太高或极间距 离太大，气体中形成离子将因非 弹性碰撞而减速，以至于当轰击 阴极时，已无足够的能量产生二 次电子。 溅射原理：溅射原理：巴邢曲线巴邢曲线 磁控溅射的工艺条件以及制备过程 一般来说磁控溅射镀膜，有几个重要的要素需要注意的： Product preview Plasma Generator Spectrometer + Electronics 磁控溅射的工艺异常诊断 Sensor vacuum assembly Remotely generated plasma Miniature CCD spectrometer Microcontroller PressureRGA Process troubleshooting Leak detectionProcess control OPTIX product concept Power supply developed with BDISCOM 磁控溅射的工艺异常诊断 Operating pressure range Unique pressure range! 磁控溅射的工艺异常诊断 New windows user interface To be shared with CCD Speedflo OPTIX software features 磁控溅射的工艺异常诊断 OPTIX software features Automated spectrum interpretation N2+ H O CO2+ N2+ 磁控溅射的工艺异常诊断 磁控溅射的工艺异常诊断 Detection threshold OPS sensor 1E-6 mBar l/s RGA mass spectrometer 1E-7 mBar l/s Dedicated leak checker 1E-9 mBar l/s OPTIX application examples 磁控溅射的工艺异常诊断 Production OK Production Bad air-to-air metallizing machine Gencoa provided magnetrons to an OEM client that was experiencing unexplained product quality issues at a customers site. By using the Vai method the difference between good and bad production was diagnosed and source of the problem in the chamber found. 磁控溅射的工艺异常诊断 磁控溅射的工艺异常诊断 磁控溅射的工艺异常诊断MF3 非非GENCOA阴极阴极 磁控溅射的工艺异常诊断MF8 非非GENCOA阴极阴极 磁控溅射的工艺异常诊断 一般来说像以上的那种电压波动，是 由于靶材表面结瘤严重造成，可以通 过清洁靶材表面来处理，也可以加快 旋转速度，或者加强两端的磁场强度， 但加强磁场可能会影响到靶材利用率。 但对于我来说，我更希望客户选择更 好的靶材，比如使用烧结绑定的多晶 硅靶材，这样也容易产生结瘤。 反应溅射的问题点反应溅射的问题点 平面靶材打火问题 旋转靶材打火问题 此阴极不是此阴极不是GENCOA的的 普通3排磁铁的旋转靶设计 像这种就是因为旋转时等离子辉光已经受到基片移动而干扰了，而且leaks的 部分代表会有一部分的溅射物沉积到另一个靶管上，这样会大大影响膜层的 质量，并且基片加热会很严重，通常会基片温度到120到150度之间。 70 mm 100 mm120 mm AC current “leaks” GENCOA 5排磁铁的旋转靶设计 但是这种设计就不会对基片加温，也会减少打火，因为两个靶管的等离子体 是完全独立的。上一种情况，通过观察窗口你会看到靶管背部也有辉光，那 就是leaks的那部分，这一个没有leaks的，靶管背部就不会辉光 。 解决靶材打火问题阴极磁场设计理念 另外无论是平面靶还是旋转靶，我们设 计磁场时，都应该让靶材表面的刻蚀面 积越大越好。 左上图，旋转靶的溅射面刚好到靶材的 顶端，这是最理想的状态，这样会大大 减少打火状态发生。溅射到顶端并不是 因为想让利用率更高点。而是让靶材表 面尽可能地干净。这样就会大大减小的 靶材表面结瘤和打火现象了。 左下图，平面靶也一样，让中间的非刻 蚀区越小越好，这样靶材表面 更干净，而且靶材利用更高。 通常我们的平面靶利用40%到45% 旋转靶利用率75%到85% 普通3排磁场平面磁场设计 左图这两个平面靶，是普通3排磁场设计， 与上页的7排磁铁设计对比，表面的刻蚀区 完全不一样，普通的一般只有3排磁铁，非 刻蚀区很大，利用率通常只有20%。 但7排磁铁的利用率达到40%至45%，设计7 排磁铁非常不容易，我们公司也是做了大量 的测试，才成功的。如果7排磁铁搭配不好， 就会形成非平衡磁场，非平衡磁场会对基片 轰击很厉害，从而膜层的质量也会大受影响。 平面靶材开裂问题 下图是一个客户，因为硅靶沉积速率太低，所以他一直在加功率，但他的阴 极磁场设计不好，而且冷却不够，结果靶材开裂了。这种情况是非常不可取 的，因为阴极设计不同，他会有一个功率密度，当你超过这个功率密度了， 表面能量无法释放，剩下来的功率就会转换更热量，然后水温上升，然后靶 材高温，然后沉积速率更慢，而且达到一定程度时，靶材膨胀，就裂了。 此阴极不是此阴极不是GENCOA的的 靶材功率密度的计算 一般情况下，我们公司不建议加大功率来提升沉积速率，你可以做一个过渡态工艺， 同样的功率，如果是过渡态，沉积速率可以提升到2到5倍，例如硅靶的电压一般是 340V左右工作，但如果你能让他稳定在450V工作，那么沉积速率就会是3倍了。 通常情况下，我们的平面阴极，工作密度是7W/cm2时，走速是1m/min的话，过氧态 经过一对硅靶膜厚是15到20nm之间。如果是过渡态就是40到50nm了。 如果你加大功率，当然也可以做到，但加功率的风险非常大，有可能靶材开裂，有可 能工作不稳定，当然你的电源负荷也在加大！ 所以对于陶瓷靶来说，靶材很脆，我建议不要通过加功率来获取高的溅射速率。 而且我们有大量的数据证明，过渡态时的，膜的耐磨性会更好，过氧状况的时如果耐 磨800次，过渡态的耐磨可以做到2000到3000次 像硅靶的反应溅射，过氧状态需要20sccm/kw，但如果是过渡态只需要912sccm/kw。 但你需要稳定电压，或者稳定硅离子的浓度，这些就需要一下控制手段了 反应溅射过渡态工艺方法反应溅射过渡态工艺方法 Speedflo Speedflo 反应气体控制器反应气体控制器 Version A 8 channels Version B 2 channel (mini) 反应溅射探测基本原理 反应气体输入 发射 基片 靶材 控制 (Speedflo) Part. Press. 透明程度，导电程度 电压，频率，等离子发放 输出输出( (气体流量计）气体流量计） 反应气体流量控制反应气体流量控制 speedflospeedflo可以配用美国可以配用美国MKSMKS的的流流 量计，量计，还有国产还有国产ETONETON（怡东科技（怡东科技 产）产）的的流量计。流量计。 主要需要考虑流量计的反应速度主要需要考虑流量计的反应速度 以及精确度。以及精确度。 SpeedfloSpeedflo本身的计算周期为本身的计算周期为5 5到到 20msec20msec。 SpeedFlo - SpeedFlo - 输入感应输入感应 1, PEM 1, PEM 材料在真空溅射时，的分子材料在真空溅射时，的分子 电离跃迁光谱信电离跃迁光谱信号，号，每种材料每种材料或气体或气体都都 有自己的有自己的特性特性光谱波长光谱波长信号。信号。 2,2,（Target Voltage) Target Voltage) 靶电源电压模拟靶电源电压模拟 信号信号 3, 3, CCDCCD等离子光谱全波段光谱信号等离子光谱全波段光谱信号 4,4,（lambda sensorlambda sensor）氧分压传感器信）氧分压传感器信 号号 5, Penning5, Penning（潘宁规）光谱信号（潘宁规）光谱信号 Speedflo控制器控制器 Speedflo控制器控制器 反应溅射的滞回曲线反应溅射的滞回曲线 反应气体流量反应气体流量 O2-光谱信号光谱信号 Ti4+光谱信号光谱信号 氧气流量氧气流量Si靶电压靶电压 多段布气可调反应溅射均匀性 1-3m 玻璃平面沉积均匀性1.5% 对于长度1300mm以上的阴 极我们建议3段布气 并且实现过渡态镀膜工艺 这样可以通过氧气平衡来上 下调均匀性 只有实现过渡态才有上下可 调的空间，否则需要加档板。 Lambda Sensors PEM Sensors Speedflo控制器控制器 Speedflo控制器控制器 Speedflo控制器控制器 SPEEDFLO 基本各式反应气体硬件构造 Remote Tuning 这是这是speedflo与阴极之间的反馈说明与阴极之间的反馈说明 Speedflo控制器控制器 一般情况下，你们的硅靶工作中频电压只有一般情况下，你们的硅靶工作中频电压只有340V到到360V（当然与磁场设计也有关（当然与磁场设计也有关 系），系），所以沉积速率都很慢，有些人没办法就一直加功率，但发现功率加上去，靶所以沉积速率都很慢，有些人没办法就一直加功率，但发现功率加上去，靶 材就裂了。材就裂了。 但如果用但如果用speedflo可以控制在可以控制在450V到到500V之间，尤其是做之间，尤其是做OGS产品时，考虑到耐产品时，考虑到耐 酸碱性能，我们的客户一般都在酸碱性能，我们的客户一般都在480V以上，如果客户用过进口设备，特别是卷绕的，以上，如果客户用过进口设备，特别是卷绕的， 几乎没有不控制电压的，因为如果不控制过氧状态时，很容易串氧，从而影响其他几乎没有不控制电压的，因为如果不控制过氧状态时，很容易串氧，从而影响其他 靶位的不稳定靶位的不稳定,其实连续线也一样，如果不做过渡态，那么箱体的隔气就需要更长，其实连续线也一样，如果不做过渡态，那么箱体的隔气就需要更长， 更快的抽速，否则就会影响更快的抽速，否则就会影响ITO的工艺氧气过量。的工艺氧气过量。 也就是说也就是说speedflo如果能控制电压很高，到如果能控制电压很高，到450V时，耗氧量只有时，耗氧量只有9到到12sccm/kw(经经 验值验值)。也就是说。也就是说如果开如果开10kw,那么只要那么只要100sccm氧气就足够了氧气就足够了，否则你需要充进否则你需要充进 200sccmO2才能稳定工艺，当然多少氧气与箱体的抽气速度有关的。才能稳定工艺，当然多少氧气与箱体的抽气速度有关的。 我说的这个种情况是在本底真空能抽到我说的这个种情况是在本底真空能抽到103pa的前提下的前提下,如果只能抽到如果只能抽到10-2Pa，那，那 氧气量还会更少一点。当然，与工作气压也有关系，但工作气压的不同只会影响氧气量还会更少一点。当然，与工作气压也有关系，但工作气压的不同只会影响 10%的气量。也与你的工作电压有关。的气量。也与你的工作电压有关。 Speedflo控制器控制器 一般来说，溅射工作气压在一般来说，溅射工作气压在0.20.5Pa。如果条件允许可以充入少量的氮气，这样的。如果条件允许可以充入少量的氮气，这样的 等离子辉光会更加稳定。控制点我们一般会选择在过氧状态到无氧状态的等离子辉光会更加稳定。控制点我们一般会选择在过氧状态到无氧状态的25%到到 30%之间，比如过氧状态电压是之间，比如过氧状态电压是340V，无氧状态是无氧状态是800V，那么可以控制在那么可以控制在 （800340）*25%+340V455V （800340）*30%+340478V 所以一般只要你的工作电压在所以一般只要你的工作电压在455V到到478V之间，在这个区间内我几乎可以保证你的之间，在这个区间内我几乎可以保证你的 折射率接近氧状态的，当然如果控制电压更低也是可以，不建议更高而已。折射率接近氧状态的，当然如果控制电压更低也是可以，不建议更高而已。 也就是说在这个电压范围内，不会影响到膜的光学性能。也就是说在这个电压范围内，不会影响到膜的光学性能。 以上只是一个计算方式，有些人的阴极最低电压只有以上只是一个计算方式，有些人的阴极最低电压只有300V的，有些人的无氧电压也的，有些人的无氧电压也 只有只有600V所以只能告诉你这个计算工式，并不是说一定要控制在这个电压上。所以只能告诉你这个计算工式，并不是说一定要控制在这个电压上。 Speedflo控制器控制器 目前来说，目前来说，speedflo的好处有以下：的好处有以下： 1，硅靶高电压溅射，有利于膜层的耐酸碱性能和耐摩擦性能的提高。，硅靶高电压溅射，有利于膜层的耐酸碱性能和耐摩擦性能的提高。 2，减少氧气量，降低串气风险，减少氧气量，降低串气风险， 3，相同功率下，沉积速率提升，相同功率下，沉积速率提升2到到5倍。倍。 4，可以降低功率工作，降低电源能耗，同时也是提高电源的功率有效利用。，可以降低功率工作，降低电源能耗，同时也是提高电源的功率有效利用。 5，由于降低了工作功率，相对来说电源的工作会更稳定，降低电源的故障率，由于降低了工作功率，相对来说电源的工作会更稳定，降低电源的故障率， 6，改善靶面结瘤情况，因为靶材表面不会再出现中毒状态。，改善靶面结瘤情况，因为靶材表面不会再出现中毒状态。 Speedflo控制器控制器 文献上的滞回曲线估计都是这样的文献上的滞回曲线估计都是这样的，因为他把增加的过程和减少的过程叠加在一起因为他把增加的过程和减少的过程叠加在一起 了了,好的工程師会从这个滞回曲线上看出系统的抽气速率，当下降的过程与上升的过好的工程師会从这个滞回曲线上看出系统的抽气速率，当下降的过程与上升的过 程程(图中标示图中标示D)越靠近时，抽气速率就越理想，因为氧气滞留下来的越少。越靠近时，抽气速率就越理想，因为氧气滞留下来的越少。 D Speedflo控制器控制器 好的工程師也能从这个图上看出系统漏气，因为在控制过程出，如果出现氧气突然好的工程師也能从这个图上看出系统漏气，因为在控制过程出，如果出现氧气突然 下降很厉害，而且电压也跟着下降，几乎不是漏气就是架子放气影响的了，但这个下降很厉害，而且电压也跟着下降，几乎不是漏气就是架子放气影响的了，但这个 因为周期与靶材的旋转周期一致，所以我们可以断定是旋转靶在旋转时漏气造成的因为周期与靶材的旋转周期一致，所以我们可以断定是旋转靶在旋转时漏气造成的 Speedflo控制器控制器 speedflo的反应速度很快，一般如果理想状态，只要的反应速度很快，一般如果理想状态，只要1秒就能到达控制点。秒就能到达控制点。 当然这个速度与流量计反应速度有关，也与流量计的安装位置有关，还以真空内布当然这个速度与流量计反应速度有关，也与流量计的安装位置有关，还以真空内布 气的位置有关。气的位置有关。 Speedflo控制器控制器 PID是一种欠阻尼的算法，但是一种欠阻尼的算法，但PDF+是一种临界阻尼的算法是一种临界阻尼的算法 PID的控制器一般要求搭配压电阀来做控制，因为压电阀的反的控制器一般要求搭配压电阀来做控制，因为压电阀的反 应速度很快，达到应速度很快，达到msec级别的，但流量计是无法达到那个反级别的，但流量计是无法达到那个反 应速度的，所以我们采用的应速度的，所以我们采用的PDF+临界阻尼的算法临界阻尼的算法 PID是靠快速反应，再快速回调，但压电阀每次改变的流量都是靠快速反应，再快速回调，但压电阀每次改变的流量都 过过10sccm的，所以的，所以PID有过冲再回调的过程，而且阀电阀故障有过冲再回