有關磁控濺射的實際問題

一種增磁裝置在磁控射頻建設紙杯薄膜中的應用（王懷義、刁訓剛、王聰、郝維昌、王天民）磁控濺射技術王怡德洛侖茲力F=QVB輝光的強烈程度應該是：過高或過低的真空度都會導致滅輝,真空度太高,自由分子太少,電離后不足以形成等離子體,真空度太低,分子自由程太小,也不利于等離子體的維持.我在做射頻清洗的實驗時也遇到過高真空起輝而低真空滅輝或匹配不好的情況,后來證明是射頻電源的接地處理上出現(xiàn)了問題,經修正后這種情況就沒有了.充氣流量越大,輝光就越強烈,直到知道氣壓超過一定壓力本論文中樣品采用中科院沈陽科學儀器廠JGP350型磁控濺射鍍膜機制備，真空抽氣系統(tǒng)由機械泵（前級泵）和分子泵（主泵）組成，極限真空度可達2.0X10-4Pa。濺射系統(tǒng)配有三個立式靶，其中兩個接射頻陰極（RF）,另一個接直流陰極（DC）。RF的濺射功率可在0?200W之間調節(jié)，直流電源電壓為0?2000V。中間樣品控制架上有3個樣品夾具，樣品控制架可通過旋轉來選擇所要濺射的靶。其中一個樣品位的后面有加熱電阻絲，可對該位置上的襯底加熱，使得襯底溫度在室溫與400°C之間可調。靶和襯底間距為5cm。由于靶材CdTe和ZnTe陶瓷靶的電導率較低，所以采用射頻濺射模式。工作氣體為氬氣。磁控濺射所用靶材是純度為99.999%的ZnTe和CdTe化合物陶瓷靶，靶材直徑為100mm、厚6mm。沉積薄膜用的襯底均為普通玻璃，襯底厚1mm,長寬為2.5X6cmo射頻濺射時，采用高頻射頻電源（13.56MHz），分別將靶材和真空室的其他部分耦合在電源的兩極，襯底處于靶材對應的位置，與靶材間距為5cm，射頻磁控濺射時放電的過程（工作氣體為Ar氣）：1）無光放電打開射頻電源及電流顯示器，即會有十毫安以下以下的電流顯示。這時真空室中一般會有幾帕到幾十帕的Ar壓，始終有少量Ar處理游離態(tài)，以電子和Ar正離子的狀態(tài)存在。并維持微弱的電流。然后隨著電壓的增加，電流會逐漸增加。當兩極加上電壓后，電子和Ar+在電壓作用下，往返于兩極。這時外加電壓的變化周期為7e-8s,正離子的濃度來不及改變，電子的質量很小，速度快，可以在電壓方向改變的半個周期內形成電流。升高電壓，電子加速獲得較大動能，碰撞Ar氣分子時，使之電離。增加了正離子和電子的濃度，進一步導致電流增加。2）輝光放電區(qū)當電壓繼續(xù)升高，電流繼續(xù)增大；電壓升高到500V附近時，達到臨界點，產生輝光，同時電流基本不變，電壓隨之降低。這一階段中，電壓增大到一定的值，正離子在較大的電場作用下，加速獲得足夠的動能，當電壓進一步增加時，湯森放電的電流將隨之增大，當電流增大到臨界點時，極板兩端電壓突然降低，（在射頻濺射時，這一區(qū)域也很明顯，在可以起輝的氣壓下，電壓增加到500V左右時，電流保持不變，電壓突然降低，同時起輝。）電流突然增大，并同時出現(xiàn)帶有顏色的輝光，此過程稱為氣體的擊穿，圖中電壓稱為擊穿電壓。這時電子和正離子是來源于電子碰撞和正離子的轟擊（正離子對陰極的靶材轟擊，轟擊出靶材料中的電子，然后這些電子在加速向陽極（一般放有基底的過程中，會再把氣體電離，電離出更多的電子和正離子，然后電子再加速，電離氣體，而正離子則獲得動能后轟擊陰極，然后不斷循環(huán)并增大，猶如雪崩）。這時電子和離子的來源已經不再是Ar的自然電離了；這一階段，維持放電的電壓較低，且不變，電流的增大與電壓無關，而只與陰極板上產生輝光的表面積有關。正常輝光放電的電流密度與陰極材料和氣體的種類有關。氣體的壓強與陰極的形狀對電流密度的大小與有影響。電流密度隨氣體壓強增加而增大，凹面形陰極的正常輝光放電密度要比平板形陰極大數十倍以上。由于正常輝光放電時電流密度仍然比較小，所以在濺射等方面均是選擇在非正常輝光放電區(qū)工作。4）非正常輝光區(qū)在轟擊覆蓋住整個陰極表面后，進一步增加功率，放電的電壓和電流密度將同時增大，進入非正常輝光放電狀態(tài)。其特點時，電流增大時，兩放電極板間電壓升高，且陰極電壓降的大小與電流密度和氣體壓強有關。因為此時輝光已布滿正個陰極，再增加電流時，離子層已無法向四周擴散，這樣，正離子層便向陰極靠攏，使正離子層與陰極間距離縮短，此時若要想提高電流密度，則必須增大陰極壓降使正離子有更大的能量去轟擊陰極，使陰極產生更多的二次電子?！?-2濺射的基本原理濺射鍍膜基于荷能離子轟擊靶材時的濺射效應，整個濺射過稈都是建立在獲光放電前基礎之上,即濺射離子都來源于氣體放電.不同的濺射技術釆用的輝光放電方式有所不同七直流二極濺射利用的是直流輝光放電;三極濺射是利用熱陰極支持的輝光放電；射頻濺射是利用射頻輝光放電；磁控濺射是利用環(huán)狀磁場控制下的輝光放電。-準備知識：電子與氣體分子的碰撞二激站電離輝光放電1.直流輝光放電 輝光放電是濺射的基礎。輝光放電是在真空度約為10-1Pa的稀薄氣體申,兩個龜極之間加上電壓吋產生的「種放電現(xiàn)象"1^13-1表示直流輝光放電的形成過程，亦即兩電極之間的電壓隨電流的變化曲線’圖＞i丸扯蜂Jt圖＞i丸扯蜂Jt故電伏空持性輸級茴小窗二儘(3)過渡區(qū)(仞區(qū)域)髙子轟擊陰極，‘釋放出二次電子,二捉電子二中性氣體分了碰撞，產生更多的離子,這些離子冉轟擊陰極，又產生新的更多的一次電子口一口產生了足夠多的離子和電子后，放電達到白持’發(fā)(3)過渡區(qū)(仞區(qū)域)髙子轟擊陰極，‘釋放出二次電子,二捉電子二中性氣體分了碰撞，產生更多的離子,這些離子冉轟擊陰極，又產生新的更多的一次電子口一口產生了足夠多的離子和電子后，放電達到白持’發(fā)Y「少崩點火，T體開始起輝，陽極間電擬劇增，10-*10_|1Id-1' IO-*j0-'id-I,|電tJfjU/m1)電壓迅速下降，放電吐現(xiàn)負陽電壓迅速下降，放電吐現(xiàn)負陽特性。mi-'正常輝光放電區(qū)〔DE區(qū)域)當屯流增至c點時』欖板兩端屯壓突酬降低，電流究然增大，井阿吋出現(xiàn)帶有酬色的舞兀，此過■程稱為氣悴的擊穿'圖中屯壓￥r稱為擊穿屯壓°在D點以后，電流與電斥無關，即用丈電源功率吋，電壓維持不變.而業(yè)戒平穗噌加n擊穿后氣禪的發(fā)光放電厭為輝尤放屯"0[>1特點：（1） 電子和正離子是來源于電子的碰撞和正離子的轟擊，即使口然游離源不存在，導電也將繼續(xù)下去。（2） 維持輝光放電的電壓較低，且不變。（3） 電流的增大與電壓無關，只與陰極板上產生輝光的表面積有關。（4） 止常輝光放電的電流密度?陰極材料和氣體的種類有關。氣體的壓強與陰極的形狀對電流密度的大小也有影響。電流密度隨氣體壓強增加而增大。凹面形陰極的正常輝光放電電流密度，要比平板形陰極大數十倍左右。由于正常輝光放電時的電流密度仍比較小，所以有時濺射選擇在非正常輝光放電區(qū)工作。<l|l>（5）非止常輝光放電區(qū)（EF區(qū)域）E點以后，當離子轟擊覆蓋整個陰極表而后，繼續(xù)增加電源功率，會使兩極間的電流隨著電壓的增大而增大，進入非正常輝光放電狀態(tài)。圖工］直電伏安待性曲線特點，電流增大時，兩放電極板間電壓升高，且陰極電壓的大小與電流密度和氣休壓強有關。此時輝光己布滿務個陰極，再增加電流時，離子層已無法向四周擴散，正離子層便向陰極靠攏，便正離子層與陰極間距離縮短。咚想提高電流密度，必須増大陰極壓降便止離子有更大的能量去轟擊陰極，使陰極產生更多的二次電子。

■巴邢定律■?在氣休成分和電極材料一定條件下，起輝電壓"只與氣體壓強P和電極距離d的乘積有關(見圖3?2所示)?！鲈诖蠖鄶递x光放電濺射過程中耍求氣體壓強低，壓強與間距乘積一般都在最小值的左邊，故需要相當高的起輝電壓。在極間距小的電極結構中，經常需要瞬時地增加氣體壓強以啟動放電。3-2巨H5曲絞《鈕切血莊3-2巨H5曲絞《鈕切血莊K與7體莊珈11V〉弧光放電區(qū)(FG區(qū)域)兩極間電壓降至很小的數值，電流大小幾乎是由外電阻大小決定，而且電流越大，極間電壓越小。危害：極間電壓陡降，電流突然增大，相當于極間短路；放電集中在陰極的局部地區(qū)，致使電流密度過大而將陰極燒毀；驟然增大的電流有損壞電源的危險；3?射頻輝光放電（5~30MHz的射頻濺射頻率下）A特征：（D減少了放電對二次電子的依賴，降低了擊穿電壓（2）濺射材料范用拓寬，可以濺射包括介質材料在內的任何材料為了濺射沉積絕緣材料，將直流電源換成交流屯源后由于交流電源的正負性發(fā)生周期交替，為濺射靶處于止半周時，電子洗向靶面，屮和其農面積累的II?:電荷，并且積累電了，使其表面呈現(xiàn)負偏壓，導致在射頻電壓的負半周期時吸引疋離f轟擊靶林從而實現(xiàn)濺射。在射頻派射裝置中，等離了體中的電了容易在射頻場中吸收能最并在電場內振蕩，因此，電子與工作氣體分子碰撞并使Z電離產生離子的概率變人，故使得擊穿電壓、放電電壓及工作氣壓顯著降低.三.濺射特性表征濺射特性的參量主要有濺射閥值、濺射率以及濺射粒子的速度和能量等。1.儼射冏值濺射閥值指使靶材原子發(fā)生濺射的入射離子所必須具有的最小能量。入射離子不同時濺射閥值變化很小，而對不同靶材濺射閥值的變化比較明顯，即濺射閥佰主耍取決于靶材料,與離了質星無明顯依賴關系。絕大多數金屬的濺射閾值為匕相當于升華熱的4倍（衣3』、圖3?7、圖3?8）濺射率表示正離子轟擊靶陰極時，平均每個止離子能從陰極上打岀的原子數。又稱濺射產額或濺射系數，常用s表示。濺射率與入射離子種類、能量、角度及豐柩的類型、晶格結構、表而狀態(tài)、升華熱大小等因素有矣，單晶靶材還與衰面瞼向肴類。（1）靶材料（表3?2、圖3?9）a?濺射率S隨靶材元素原子序數增加而增大。b?品格結構不同，S不同。c?與表面清潔度有關，清潔度高，S大。d?升華熱大，S小。機理和特點：（1）對于克流濺射來說，如果靶材不是良導體材料，而是絕緣材料，正離子轟擊靶面時靶就會帶正電，使其電位上升，離子加速電場就要逐漸變小，使離子澱射杷材不可能，以至輝光放電和濺射停止。如果在靶上施加的是射頻電斥，當濺射靶處于上半周期吋，由于電（的質景比離了的質量小得多，故其遷移率很高僅用很短吋間就可以飛向靶面，中和其農面積累的正電荷，并11在靶血又迅速積累人量的電子，使其表面因空間電荷呈現(xiàn)負電位，導致在射頻電壓的正半周期時也吸引離子轟擊靶材。從而實現(xiàn)了在正、負半周期均可產生濺射。（2） 在射頻濺射裝置中，等離了體屮的電孑容易在射頻場屮吸收能量并在電場內振蕩，電子與工作氣體分子碰撞并使之電離的幾率罪常大，使得擊穿電壓和放電電壓顯著降低，共值只有直流澱射時的十分乙一左右。⑶克服了直流濺射（含磁控）只能濺射導體材料的缺點，射頻濺射能淀積包括導體、半導休、絕緣體在內的幾乎所有材料。（3） 當離了能量高達數千電了伏時，絕緣靶上發(fā)射的次級屯子數童也相當人，又由于靶具有較高負電位，電子通過暗區(qū)得到加速，將成為高能電C轟擊基片，導致基片發(fā)熱、帶電并損害鍍膜的質量。須將基片放置在不直接受次級電子轟擊的位置上，或者利用磁場便電了偏離基片。五.石茲控濺射磁控濺射屮引入了正交電磁場，使離化率提高了5?6%,于是濺射速率可比三極濺射提高10倍左右。對許多材料，濺射速率達到了電子束蒸發(fā)的水平。磁控濺射的工作原理以磁場來改變電了的運動方向，并束縛和延K電了的運動軌跡，從而提髙了電子對工作氣體的電離幾率和有效地利用了電子的能量。因此，使正離子對靶材轟擊所引起的靶材濺射更加有效。冋時，受正交電磁場束縛的電子，又只能在其能量要耗盡時才沉積在基片上。這就是磁控濺射具有“低溫”、“高速”兩大特點的道理。(t)昆s3soefiwwxfvmcifflS-40電子金正交電B^T的AXAiHU主要有三種類型：（1）柱狀磁控濺射源；（2）平面磁控濺射源;（3）濺射槍（S槍）EH%41各林不冋控?。》同打08住31屯應 C<>M<￡*t35S^?SS?lt^Wc?^nrmK!MttaE ax槍極“阪亙丁第牛泵的莊用*維護I KYKY_＞耶認已裝入屈滑油：用扳手持緊固訕池的螺釘松開，取下訕池.從濾網外向油池中注入規(guī)屯董的余子泵潤滑油.然潔將油池緊固到泵體上.分子泵油量應處于油標上下J艮之閭,不得艇于油標下限，以探證軸承的良奸潤滑，油標為無色標志緘*也不能超過上踐，否則會導敷流量過大，彰峋正常便丿乳氣體流