等离子增强磁控溅射技术介绍

1、第二章等离子增强磁控溅射沉积技术匹l=i等离子增强磁控溅射(Plasma Enhanced Magnetron Sputtering)沉积技术，简 写为PEMS,是物理气相沉积(PVD)技术的一种。它与传统磁控溅射(Conventional Magnetron Sputtering，简写为CMS)的区别在于其运用独立的电子发射源达到等 离子体增强的效果，制备出涂层的致密度、硬度和韧性等均有显著提高。运用 PEMS技术可以制备传统磁控溅射技术的所有涂层，如TiN，CrN，TiAlN，TiCN 等。PEMS技术的原理PEMS技术结合传统磁控溅射技术的优点，在其基础上做了改良，图2.1为PEMS技术

2、的原理图和实际镀膜工作时的图片。如图2.1(a)所示，PEMS真空室 的尺寸为700X700X700mm3,左右两边分别有一个圆柱形金属靶，尺寸为1.5cmX 170mm。在真空室的中央，有一个旋转的工作台便于悬挂工件，工作台旋转的速度为1020rpm，钨丝的长度为20cm。(a)(b)(a)(b)图2.1 (a)PEMS技术的工作原理图(b)实际镀膜工作图PEMS技术应用了一个电子发射源来产生更多的电子，一般选用加热的钨 丝或者空心阴极管作为电子发射源。从实际工作图2.1(b)的下方可以隐约看见耀 眼的光线，即钨丝在加热状态发出的光线。当真空室内气压到达几个毫托，在钨 丝和真空壁之间施加直流

3、放电电压(DC Discharge Power Supply)，即：真空壁接 地，钨丝上为恒定负偏压( 100V)。同时，在钨丝上加载交流电(电压2030V， 电流4045A)，钨丝被加热后向真空室内释放电子，在放电电压的作用下，电子 被加速向真空壁飞去，由于真空室内存在大量的气体分子(Ar，TMS，N2等)，电 子与中性气体分子(原子)发生碰撞，导致气体电离，并最终使真空室内产生等离子体。等离子体中带正电的Ar离子受到靶材的吸引，轰击靶材产生溅射。PEMS技术与传统磁控溅射技术的比较与传统磁控溅射相比，PEMS在其基础上引入了钨丝产生等离子体。众所周 知，几乎所有的PVD镀膜技术都是为了获得

4、粘附性能好，硬度高，致密的涂层。 因此，在镀膜之前，工件表面的清洗至关重要，它可以使涂层和基体材料之间结 合得更好。在镀膜涂层生长过程中，足够的离子碰撞是获得致密涂层的关键条件。 PEMS技术引入的钨丝为镀膜前的清洗和镀膜过程中提供足够的离子碰撞奠定 了基础。2.2.1传统磁控溅射技术考虑到工件表面的氧化物和赃物会影响涂层粘附力，将工件放入真空室之 前，人们通常使用喷砂，乙醇，丙酮，超声波等手段对表面进行清洗。但是，由 于新鲜表面极易被氧化，一点点氧化皮就可能使涂层性能粘附性能变差，而且可 能会导致柱状的生长。因此，将工件放入真空室后的清洗也非常重要。传统磁控 溅射清洗工件的方法是将靶材的功率

5、调低，在工件上施加一个很高的负偏压，利 用靶材产生的Ar等离子体对工件进行清洗。尽管磁控管的功率很小，由于靶材 上使用的是负偏压，Ar+，Ar2+就会对靶表面进行轰击，这样不可避免的产生了 少量的溅射，继而沉积于工件表面，这样造成的结果是，在工件表面没有清洗干 净的时候就已经开始镀膜了，清洗效果差。另一种情况是，不开启磁控管，在工 件表面使用高的负偏压，利用真空室内较高的气压 Ar气产生辉光放电(Glow Discharge)，工件清洗完毕后将真空室的气压降到靶材镀膜时的工作气压。然而， 在气体下降的过渡过程中，工件表面的等离子轰击过程会受到影响，因为工件刚 形成的新鲜表面会被真空室内残余的水

6、蒸气再次氧化，原因是水蒸气分子在等离 子体环境下异常的活跃，容易获得活性的氧原子或氧离子。PEMS 技术从图2.1(a)可以看出，PEMS原理图的下半部分有一个灯丝，通常使用钨丝。 在交流电加热下，钨丝不断释放电子，它是独立于磁控管的一部分。因此，在工 件清洗和镀膜过程中，它可以实现传统磁控溅射没有的功能。在PEMS工件清 洗过程中，磁控管保持关闭状态，此时真空室内Ar的气压保持26mtorr，在钨 丝上加载交流电，并在工件上缓慢增大负偏压，灯丝上释放出的电子向真空壁加 速，与Ar碰撞后使整个真空室内充满Ar等离子体，Ar等离子体对工件表面的 清洗已经足够。需要指出，工件表面的负偏压需要缓慢增

7、加，实现发现，调节过 快表面会出现电弧，对工件的新鲜表面很不利。清洗完毕，在不关闭钨丝电源的 情况下开启磁控管，这样在清洗和镀膜之间避免了气压过渡过程，工件表面不容 易被氧化。在镀膜过程中，由于钨丝源源不断的向真空室释放电子，与真空室内的的气 体分子产生碰撞，以氩气为例，电子轰击氩气分子的最外层或次外层电子，形成 Ar+，Ar2+，这些离子轰击靶材最终产生溅射。需要强调的是，镀膜过程中钨丝 产生的等离子体是独立于磁控管产生的等离子体的，经法拉第杯(Faraday Cup) 试验测定，发现有钨丝的真空室离子电流密度是单独磁控管产生离子电流密度的 25倍。另外，由于钨丝是由交流电控制，可以从外部调

8、节交流电的电压来控制 放电电子的数目，进而控制真空室内等离子体含量。等离子体的增加直接导致真 空室内离子和原子的比值(ion to atom ratio)增加，它是PVD过程当中一个重要的 参数。传统磁控溅射为了提高离子和原子的比值，通常提高靶材的功率，然而靶 材中性原子同时也会溅射出来，最终导致净离子和原子的比值几乎没有变化。2.2.3 CMS和PEMS实验结果比较表2.1 Cr涂层沉积于Si片表面的镀膜参数工艺气压(mtorr)靶功率(W)放电电压(V)放电电流(A)试样偏压(V)偏压电流(A)试样-靶 距(cm)沉积时 间(hrs)PEMS2.3500-400.01103CMS2.350

9、01209.0-400.19103图2.2 CMS技术(左)和PEMS技术(右)在硅片上沉积Cr涂层的表面形 貌(上侧)和横截面(下侧)形貌图为了深一步研究PEMS技术，美国西南研究院魏荣华等人使用CMS和PEMS 两种方法，运用几乎相近的实验参数在Si片表面镀上Cr涂层，表2.1列出了 实验参数。注：实验数据的引用得到了原文作者的同意。图2.2为涂层表面和横截面SEM形貌，其中左侧运用的是CMS技术，右侧 是PEMS技术。从表面形貌可以看出，采用传统磁控溅射CMS沉积出来的Cr 涂层表面粗糙，晶粒比较粗大；从横截面上看，CMS沉积的涂层呈现出典型的 柱状结构，致密度低。相近参数下，PEMS技

10、术沉积的Cr涂层表面光滑，无明 显的柱状结构，而且非常致密。这是由于热钨丝释放的电子增加了等离子体密度， 剧烈的离子轰击靶材使得涂层的致密度增加，具体可以参考文献。从图中同时 可以发现，两种工艺的镀膜时间均为3小时，但PEMS的膜层却更薄（5.5m）， 事实上，等离子体浓度的增加会提高镀膜速率。可见，剧烈的离子轰击可以显著 提高致密度。PEMS镀膜前的离子清洗2.3.1真空室及工件的烘烤除气将工件安装在工作台之后，将真空室的基础气压抽到1 X10-5torr以下，加载 交流电于钨丝上，这时钨丝处于红热状态，使整个真空室温度上升，水蒸气从工 件表面或真空壁逃逸出来，而后被泵体抽出，这个过程大约需

11、要4小时。2.3.2离子清洗关闭钨丝电源，等气压稳定在10-6torr后，向真空室充入氩气，通过流速控 制或者节流阀控制使真空室内的气压保持在26mtorr。气压稳定后在钨丝上施加 交流电（电压2030V，电流4045A），并在钨丝和真空壁之间加载放电电压（通常 为120V），钨丝发射的电子被加速朝真空壁飞去，产生氩等离子体。通过调节交 流电压的大小可以控制发射电子的数目，从而控制放电电流的大小，试验控制放 电电流保持在5A。之后，工件上加载负偏压-120V，Ar离子受到工件的吸引， 不断轰击工件表面的氧化皮和赃物，这时工件离子清洗过程就开始了。需要注意的是，调节钨丝上的交流电压和工件上的工作

12、偏压需要缓慢调节， 调节过快会使工件表面离子轰击过于剧烈，很容易产生电弧，见第三章第二节。 在本试验中，离子清洗时间为2小时。工件清洗完毕后，在不关闭钨丝电源的状 态下，开启磁控管（功率500W），此时靶前的挡板处于遮挡状态，在低功率状态 下对靶表面清洗20min以去除表面的赃物和氧化层。2.4 PEMS 镀膜靶表面清洗干净后，开启挡板，将靶材的功率调至预设值（2KW-4KW），并 把工件表面的负偏压降至-40V,溅射开始。降低工件表面的负偏压目的是为了降 低溅射力度，从而可以减小膜层的内应力。为了使涂层和基体之间的结合力好， 需要在二者之间镀过渡层(Bondlayer)，一般为纯金属，即靶材。而后依据膜层成 分的不同向真空室充入N2，TMS，HMDSO，HMDSN等气体，镀膜完成。需要指出，在工业生产中为了提高沉积速率，可以采用提高靶的数目，增大 放电电流，提高靶材功率等方式。2.5 本章小结本章主要介绍了以下几个方面的内容：介绍了等离子增强磁控溅射(PEMS)技术的原理。指明了传统磁控溅射 (