磁控溅射镀膜技术 PPT课件

• 阴极暗区宽度一般为1-2cm，镀膜设备中 阴极与基片距离大多5-10cm，可知两极 间只存在阴极暗区和负辉区，尽量减小 极间距离（靶-基距），获得尽量高的镀 膜速率。
• 阴极暗区边缘的电位几乎接近阳极电位， 相当于在辉光放电时，等离子体将阳极 推到阴极暗区边缘，此时真正的阳极在 哪里并不重要。
• 1936年和1940年Penning相继发明圆柱和 圆筒磁控溅射阴极。-- Penning放电、 Penning规、Penning离子源相继出现
• 1963年美国贝尔实验室采用10米的连续 溅射镀膜装置镀制集成电路的鉭膜，首 次实现溅射镀膜产业化。
• 1970年圆柱磁控溅射阴极获得工业应用
2、发展概况（3）
• 溅射镀膜中放电气体压力通常选P=1x10-2 至5x10-4Torr，工作点选在左半支曲线， 对于相邻的相互绝缘的两个导体，要求 有足够高的耐击穿电压U，相互之间距离 不宜太大，d=1.5--3.0mm
2、放电的伏安特性曲线--不提倡“一 拖二
辉光放电中靶电压与靶电流关系曲线称 靶的伏安特性曲线.
• 用大功率启动新靶，材料表面出气，局 部真空变坏
• 直流溅射情况，靶面有不良导体形成 • 靶设计、安装不当，及在运用过程中受
力、受热引起的机械变形，造成的局部 击穿
3、辉光放电区电位分布---靶-基距
（1）阿斯顿暗区 （2）阴极暗区，克罗克斯暗区（3） 负辉区
（4）法拉第暗区 （5）正辉柱 （6）阳极暗区 （7） 阳极辉柱
• 在靶电源为恒功率模式下，随反应气体 （如氧）流量变化（增加或减小），靶 电压变化呈非线性，类似磁滞回曲线
4、硅靶通氧反应溅射制备二氧化硅：靶电 压随氧气流量变化曲线有滞回现象（反应 溅射的固有特性）
650
600
电
550
压
500
(v
)
450
400 0
金属态
20
40
氧流量(SCCM)
氧化态
60
5、三种状态（金属态--过度态--氧化态） 的特点及溅射速率变化
2、双靶---孪生靶
• 双靶的“双”字，如前所述原文是：twin 或dual都有孪生的意思，而不是简单的 two
• 构成双靶的两个靶一定要严格一致：结 构、材料、形状、尺寸，加工与安装精 度；
• 运用中两个靶处于同一环境，压力及气 体组分、抽气速率等
3反应溅射与反应溅射滞回曲线
• 大部分化合物薄膜特别是介质膜均由金 属靶通反应气体，用反应溅射方法制备
2、发展概况（4）
• 1986年Window发明了非平衡溅射 （Closed-fied unbalanced magnetron spattering, CFUMS),有广阔的应用前景
3、国内发展情况
• 1982年以后，范毓殿、王怡德及李云奇 等先后发表了有关平面磁控溅射靶设计 方面的论文报告
• 1985年后，各类小型平面磁控溅射镀膜 机问世
• 设备安装、调试及维护比射频溅射容易 运行稳定
• 膜层质量(緻密程度)不比射频的差
• 用扫描电镜做了某样品表面形貌的初步 观察，RF和MF的表面都很平整，没有龟 裂、针孔等缺陷。二者在放大50，000倍 的条件下得到的表面情况存在明显区别。 RF有20nm左右的密密麻麻的小圆丘，而 MF显得很平
7、控制系统的稳定性
8、PEM闭环控制回路示意图
等离子体
阴极
氧分压
可控阀门 接氧气源
光探头
滤光片
放大器
控制器
设定 闭环控制方块图
真空室内靶、布气、抽气、基片位置之一
Substrate
Magnetron
Reactive gas inlet
Vacuum Pump
真空室内靶、布气、抽气、基片位置之一
电压 V/N
V VB
P=133Pa(Ne) 汤森放电
异常辉光
正常辉光 弧光
电流密度 J/(A·cm )
A) 伏安特性曲线，分几段：
• 电压很小时，只有很小电流通过： • 加大电压进入汤生放电区； • “雪崩”，进入“正常辉光放电区”
• 离子轰击区覆盖整个阴极表面，再增加 功率进入“非正常辉光放电区”，溅射 工艺的工作点选在此区：
• 光强度正比于激发态密度n*和相应的mn 跃迁机率P
• 特征光谱
荷能粒子与材料表面相互作用
1、产生的效应
• 表面粒子发射：电子、中性原子与分子、正离 子和负离子、气体分子解吸、气体分解发射、 射线（光）、入射粒子的背散射、
• 入射粒子（离子）在固体表面或内部与材料原 子（分子）的级联碰撞、注入、扩散、化合
• 阳极位置只影响击穿电压。
4、等离子体、等离子体发光与PEM
• 等离子体特点：
• 等离子体内的基本过程 • 电离过程
• （3）式描述了快电子离过程，能电量由 电子提供
• （4）式表示了光电离过程，能电h量由 光子提供
• 激发、退激发及中和过程
• 退激发过程的能态跃迁释放能量---发光
D)两个靶并联用一台电源难以使两个靶都 处于最佳状态,影响电源寿命,降低膜层质量。 E）所谓“双跑道靶”是将靶面加宽（例如 由140mm加大到220mm）磁场作相应改变， 放电时形成两个放电区，这与双靶并联无 本质差别，放电不稳定，影响电源寿命,降 低膜层质量,基片上膜层不均匀区加大。
E）避免弧光放电
Substrate
Back Plate
Plasma Shield
Cathodes
gas inlet
Vacuum Pump
六、射频磁控溅射
• 1966年IBM采用射频溅射镀制SiO2膜 • 采用13.6MHz高频功率电源，注意接地与
匹配调节。
• 靶材可以是导电的金属靶，也可以是绝 缘的陶瓷靶，但由于射频电磁辐射对人 体有害，工业应用仅限于采用绝缘靶材
• 继续增加功率，达到新的击穿，进入低 电压大电流的“弧光放电区”
B) 靶的放电的伏安特性曲线与哪些因 素有 关？
• 靶的几何形状、尺寸，零部件安装精 度，受力或热引起的变形
• 靶电极材料及表面状态（污染、光洁 度等）
• 靶区气体压力及组分
•
C) 没有完全相同的靶，任何两个靶的伏安 特性曲线不可能完全相同
• 射频电磁辐射的屏蔽及靶的设计及安装 应特别强调。
结束语
请批评指正，谢谢！
• 1999年北京仪器厂设计中频反应磁控溅 射双靶
• 2000年和2001年豪威公司先后研制出两 条新的大型中频双靶反应溅射制备二氧 化硅膜与氧化铟锡膜在线联镀装置并投 入生产.
• 2002年豪威公司在国内首次引进PEM控 制系统,自行安装调试,成功的应用于多层 光学膜的研发工作中.
二、气体放电某些特性
6、按不同采样方法控制方式可分为:
• 质谱法 检测反应气体的分压强来控制反 应气体流量。
• 等离子体发射检测法(PEM: Plasma Emission Monitor），根据某种元素（通 常是金属离子）特征光谱的强弱变化来 对反应气体进行控制。
• 利用靶中毒时的外部特征（如靶电位、 靶电流）来控制反应气体流量。
Web coatings and glass coating.
Target materials sometimes difficult to find in cylindrical shape.
2、特点
• 等离子体密度比二极溅射提高一个数量 级,达到10-3，靶电流密度提高一个数量级
• 靶材刻蚀速率，镀膜速率与靶电流密度 成正比，即磁控溅射镀膜速率比二极溅 射提高一个数量。
• 如果通过阴极的内外两个磁极端面的磁 通量不等，则为非平衡磁控溅射阴极， 非平衡磁控溅射阴极磁场大量向靶外发 散
• 普通的磁控溅射阴极的磁场将等离子体 约束在靶面附近，基片表面附近的等离 子体很弱，只受轻微的离子和电子轰击。
• 非平衡磁控溅射阴极磁场可将等离子体 扩展到远离靶面的基片，使基片浸没其 中，因此又称“闭合磁场非平衡溅射” （Closed-field Unbalanced Magnetron Sputtering,CFUBMS),可以以高速率沉积 出多种材料的、附着力强的高质量薄膜。 这有利于以磁控溅射为基础实现离子镀， 有可能使磁控溅射离子镀与阴极电弧蒸 发离子镀处于竞争地位。
• 1980年前后,提出脉冲单靶磁控溅射、中 频单靶磁控溅射，发展为中频双靶磁控溅 射。
• 双靶磁控溅射（Dual Magnetron Sputtering）的方法的最早专利是 Kirchhoff 等1986年申请的
• 工 业 上 ， 德 国 Leybold 的 孪 生 靶 （ TwinMag® ） 系 统 是 其 典 型 代 表 , 已 于 1994年正式投入生产。
（2）溅射产额y与材料种类、表面状态、温度 有关。
三、磁控溅射
1、 在二极溅射装置上加一与电场
E的正交磁场B
2、在正交电磁场作用下电子围绕磁力线作 曲线运动加大了运动路径,大大提高电子对 气体的电离几率
e-
SN E
B ExB
B
x
B
e-
NS
e-
•
Rotatable cylindrical magnetron (BOC, 1994).
I
W心= W外 普通的（平衡）磁控溅射阴极
I型 W外=0
II型 W心=0
五、脉冲磁控溅射--中频双靶反应溅 射
近年来磁控溅射另一发展当属脉冲磁控 溅射，这里只介绍其中应用较广的中频双 靶反应溅射
• 1、特点 • 减少了弧光放电 • 解决了阳极消失问题 • 沉积速率比射频溅射高五倍左右 • 设备购置费和维修费较射频溅射低
• 加进磁场使放电容易，靶电压降低，膜 层质量提高
• 靶材经离子刻蚀形成溅射沟道，此沟道 一旦穿通，靶材即报废，靶材利用率低