磁控溅射靶材的根瘤的形成

磁控溅射靶材的根瘤的形成
磁控溅射是由于各种各样的行业，如薄膜太阳能电池，半导体，光学，装饰涂料，耐磨和防腐蚀保护应用的高度重视的技术。

据观察，在过去，在某些情况下，当溅射金属或陶瓷材料，结节表面形成溅射赛马场附近地区（自动转存面积），有时甚至在赛马场区域目标（图1）。

他们通常拥有一个到岗，圆锥或金字塔形状。

结节往往沉积运行收益增长。

最终，他们可以覆盖超过30％的目标的表面区域。

形成结节会带来不同的效果，如溅射速率，溅射原子的角分布的变化，增强电弧放电过程中漂移和不稳定，这反过来缺陷的结果，并导致质量差溅射薄膜。

涂层系统已被关闭经常清洗目标表面结节和碎片。

这会导致非预期的停机时间和降低生产速度。

目标表面上形成结节，因此极不可取的。

尽管这是一个严重的工业问题，一般有什么结果结节的增长，这是很重要的工艺参数的理解缺乏，以及如何解决这个问题。

因此，这篇文章的目的是阐明根瘤的形成机制，对靶材的关键工艺参数和提供解决方案以及一些轻。

图1。

A）扫描电镜图像显示结节形态。

从Lippens等。

[4] B）ITO靶材的黑色结节（图像- Gencoa有限公司提供）; C）在Si 靶材结节（图像- Faradox储能公司提供）。

根瘤的生长机制
观察视锥细胞的离子轰击阴极的历史可以追溯到早在1942年[1]。

从那时起，这种现象一直受到学术界和工业界的科学家和工程师的兴趣。

韦纳锥的形成[2]进行了广泛的研究工作。

基于实验证据韦纳的结论，在溅射从另一个源提供的某些杂质原子或原子的极少量可以给离子轰击surfaces.The比种子诱导锥增长所需的主要原子可以上升到种子锥形成低至1 500人，分别为钼- 铜的情况下证明。

有趣的是，它也表明，种子原子材料具有较低的溅射率，但必须表现出了较高的熔点。

存款锥也可以出现更大的通量是一个较低的熔点金属热的熔点较高的金属，它是离子轰击下存放。

在低离子轰击能量（<1keV，即典型的磁控溅射应用）高温（〜⅓的熔点）为种子锥现象发生的重要。

当溅射金属靶材，氧或氮原子的痕迹阻碍表面原子的运动，因此种子锥形成。

离子轰击溅射阈值附近的直单晶晶须，这受到更高的能量轰击时，往往转换成锥增长的结果。

韦纳强调，种子锥晶须生长，吸附原子表面运动和溅射效果之间的相互作用的结果。

溅射靶材料已最常报告的有结节增长的问题是铟锡合金和铟锡氧化物（ITO）[3-9]。

这主要是由于的ITO透明导电氧化物（TCO）镀膜玻璃市场的主导地位。

目前在工业生产的ITO的最高优先事项是实现高溅射速率和过程的稳定性，这两者都是由结节增长的问题而受到损害。

其他目标材料，这种硅和Ti - W [10]，也被报道患有结节增长。

ITO溅射陶瓷目标
陶瓷ITO铟锡合金目标上形成的结节通常是黑色的外观和表现出高电阻率[3，4]。

目标密度与结节增长的现象相当早，这是显著的努力（图2），以增加密度陶瓷的ITO目标[5，11，12]。

密集的目标是提高沉积速率，但仍然坚持结节增长的问题。

奥玛特等公布的结果。

[8]，具有相对密度高于99.5％，但由于当地偏差统一锡离子和氧空位分布不均匀传导电子密度患有结节形成率增加，意味着目标。

图2。

Hystorycal ITO靶材密度的提高。

从K.内海善雄等。

[12] 石桥等论文。

[3]和Lippens等。

[4]的状态，在ITO溅射情况下结节增长在很大程度上是相关目标表面上的氧化铟分离成高电阻
In2O分氧化物和氧气与Sn作为结节形成的发起人。

结节是不断被涂与再沉积材料。

大衣厚度是几十微米的顺序，它可以将更多的氧气缺乏[6]，可能是由于存款的减少锡[4]比目标表面。

不匀的电气性能和化学成分导致持续增长（扩大）结节期间的生活的目标过程中（即溅射附近的目标侵蚀率更快）。

图3显示原理图截面的一个结
节上的ITO溅射靶。

不均匀的化学成分和电气性能，也导致负责建立，在一定的目标表面地区和电弧。

结节可以破解热应力作用下，或由一个弧形销毁。

结节分手后跟淋浴颗粒，核新一代的结节，从而解释了观察，一旦开始结节加速增长迅速[6]。

图3。

示意图截面的一个结节上的ITO溅射靶。

Schlott等。

[6]。

里格等人。

[13]用三维模拟人生审查约100在ITO靶材溅射形成结节。

他们正在寻找杂质，如C，镁，铝，硅，铜，钛和锆。

铜异常，发现杂质分布不均匀。

大部分杂质包括C或铝。

结节的三维深度分析发现，其中大多数是顶级C浓度未受影响的目标表面积相比要高得多。

[13]的作者因此得出的结论是C杂质发挥他们研究的目标结节增长的最重要的作用。

Schlott等人。

[6]用原位视频监控研究在ITO溅射过程根瘤的形成。

他们测试了两个75毫米直径平面的ITO目标没有刹车真空此起彼伏。

令人惊讶的是，他们有溅射第一的目标是覆盖有结节后1小时溅射，而相同的第二个目标，基本上保持结节〜4小时。

图4比较了10个小时后长溅射运行的两个目标。

结节数量在近两个数量级的差异进行了观察。

这个例子清楚地表明，结节核的主要来源
之一是来自溅射系统的粉尘和剥落。

洁净室等级提高运作的第一个目标，它允许更长的无结核的第二个目标的操作。

图4。

两层ITO目标比较溅射不破坏真空的情况下为10小时此起彼
伏。

Schlott等。

[6]。

再沉积的材料显示，要在两个方面[6]根瘤的形成源：一个结节核再沉积在赛道区和/或附近的赛马场和随后的溅射redeposits）;二）剥落的再沉积材料。

进一步在相同的和其他的研究确定根瘤的形成来源[6，10]：在分段目标（ITO）瓷砖之间的接缝很容易收集灰尘/颗粒，粒子（SiO2的空隙，裂缝，裂纹和污染氧化铝二氧化钛和C）在目标的制造工艺。

中岛和Kumahara的论文[7]报告使用很细的生粉和修改后的混合过程，提供显著SnO2的分布更均匀。

使用这种技术制造的目标被证明是非常不容易根瘤的形成和电弧（图5）。

一个根瘤的形成进一步减少，实现从行业标准的质量分数为10目标减少量的SnO2％至9 WT％[7]。

图5。

外观的改进目标（a）及（b）在160 Wh/cm2溅射的传统之
一。

中岛和Kumahara [7]。

Cho等。

[9]研究了ITO与钙的目标兴奋剂的效果，通过另外的0.025和0.05 WT％的碳酸钙。

展示了一个结节形成和弧计算密度，提高靶材利用率，工艺的稳定性和可重复性的大幅下降（图6）。

值得注意的是，没有沉积的ITO薄膜的显著属性的变化发现钙掺杂的结果发生。

图6钙掺杂ITO目标：不同掺杂和目标侵蚀水平的目标表面上形成
结节的影像。

从Cho等。

[9]。

热ITO溅射工艺是这里值得一提的，因为它是相信，经营约（或以上）500度的ITO靶材。

C的形成结节减少。

然而，这个过程不会似乎已被广泛接受，它的使用出现片状，它的任何技术信息是稀缺的。

反应的ITO溅射
在锡（80-20）结节在反应的ITO沉积形成的目标已经调查Lippens 等。

[4]。

结果表明，根瘤的形成和增长的机制是类似陶瓷的ITO 溅射的情况下，但是，很明显，有一定的差异太大。

例如，在锡的目标上形成的结节往往被发现含有更多的氧气（/ O比值对应铟）相比，地区未来向他们表明，在反应溅射过程中的结节核的位置所在的目标强烈氧化。

在其他情况下，接近2 / 1 / O比值测定还与相应的锡和/或氧化锡的浓度较高[4]（注：电气SnO2的电阻率是高于ITO靶材的至少两个数量级）。

进行附加实验纯（熔点- 157 deg.C时）和Sn（熔点- 232 deg.C 时）的目标。

结果表明，结节两个纯增长和锡的目标。

根瘤的形成是在锡的情况下，这印证提高结节核Sn的作用更为显着。

这些结果是在韦纳的工作[2]在前面的章节中讨论的协议。

有趣的是，没有结节被发现时增长溅射纯锡的目标。

Lippens等其他重要的观察。

[4]，结节密度的增加，有目标的氧气增加供给的铟由于分解，从而产生漂移也反应溅射过程控制复杂的进程，在反应的ITO沉积。

TI - W溅射
罗和德雷珀研究的W -钛溅射根瘤的形成[10]。

他们得出了一些有用的关系有更广泛的适用性，因此本节中给出。

图7到C显示结节和密度的W -钛目标的生活和结节分布在径切面的W -钛目标，分别为功能。

图7。

结节（a）和密度（B）的W -钛的目标生活的功能和（c）结核分布在径切面的W -钛目标。

从罗湖和德雷珀[10]。

重要的工艺参数
它已被证明在前面的章节中，在根瘤的形成溅射使用的目标是在非反应性和反应溅射过程的主要元素之一。

已经花了显著材料工程/开发努力溅射靶材供应商，以消除结节增长。

然而，它也可以从上面的，除了目标方面，工艺参数，以及适当的相关设备的使用可能会起到成核和生长的重要作用（率，密度等）的结节明显。

下面是重要因素： 清洁度的工艺室- I）存在的外来颗粒（如灰尘，片），二）污染物的活性气态物种（如扩散泵油蒸汽，可怜的基真空，泄漏，污染主要溅射气体或气体供应线的存在）。

清洁过程环境，以减
少结节增长的问题。

溅射阴极方向（即纵向，横向）重要的是垂直阴极方向可能最大限度地降低一些目标表面度污染（如颗粒，片），以及基板的最佳。

∙弧处理- 磁控溅射电源功能- 延长结节自由运作是非常重要的。

弧产生不利影响过程以及阴极表面。

使用装有一个快速和可靠的弧的检测和淬火电路的电源（如[14]）是减少/消除结节增长至关重要。

双磁控溅射结合中频（MF）AC电源已被证明是减少反应溅射过程中的电弧事件的有效手段。

∙目标表面温度- 在一般核结节增强在目标表面温度升高。

因此，应据此选择溅射功率密度和高效的目标冷却需要减少结节增长。

这一趋势的一个例外，可能是热的ITO溅射工艺，如前面提到的。

∙有利于减少结节的生长过程的稳定性（尤其是在反应溅射的情况下）。

反应溅射过程中，积极的反馈过程控制器（如[15]）是用来保持在“过渡”地区的目标，除了增加沉积速率，减少电弧放电过程中的敏感性，在操作过程中，因此，结节核和生长率。

溅射源设计方面
磁控溅射源的设计可以显著影响根瘤的生长现象。

这主要是涉及到再沉积的相对表面积和“慢”，结节核/成长率往往是最高的溅射区。

溅射表面积的增加导致降低再沉积区，因此，少结节增长。

以下三个磁控管设计（图8a - C），可以减少增加总目标表面溅射面积结核增长率：一）高产，II）全脸侵蚀和III）旋转磁控溅射。

在减少
结节增长旋转磁控管提供最佳的性能。

下面给出一个简要介绍每个磁控管类型。

图8）“高息”溅射靶;二）“全脸侵蚀”溅射靶; C）可旋转溅射靶。

图
片提供Gencoa有限公司
∙高收益- 高收益磁阵列（如[16]）是用于平面阴极，以提高利用率一般为25％- 35％为标准的两极磁性45-50％。

增强的目标是创建使用内磁系统的磁极变形和扁平化目标表面的磁场结构。

∙全脸，圆形和矩形的形式侵蚀源（如[17]）提供了较高的目标使用，45％- 60％，由于磁场扫描的性质。

因此，再沉积的地区进一步降低。

∙旋转Magentrons（如[18]）采用圆柱溅射目标和增长目标的利用率约80％。

寿命显著增加。

在平面阴极再沉积区几乎完全消除，这进一步增加稳定的进程，降低电弧和根瘤的形成。

最近一个
由Medvedovski等文件。

报告品质优良的ITO陶瓷旋转靶材沉积[19]。

摘要
根瘤的形成/靶材的增长是一个复杂的现象，在目标表面发生，在一定的溅射沉积过程。

这种现象是由多种因素，如溅射靶性质和沉积工艺参数，条件和质量一般的影响。

敏感进程，如ITO薄膜沉积，材料，工艺条件和沉积设备用于各个方面需要慎重考虑。

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