文章编号: 100025714(2005)042307204磁控溅射薄膜沉积速率的研究Ξ惠迎雪1,2,杭凌侠1,徐均琪1(1.西安工业学院光电工程学院,西安710032;2.西北工业大学)摘 要: 沉积速率是影响薄膜性能的重要参数,直接影响着薄膜质量的优劣.本文采用磁控溅射方法,在玻璃基底上沉积钛膜.通过对比研究了平衡磁控溅射和非平衡磁控溅射两种工作模式下,靶基距、氩气流量等工艺参数对沉积速率的影响,同时测试了非平衡磁控溅射线圈励磁电流大小变化对薄膜沉积速率的影响.结果表明:磁控溅射源以非平衡模式工作时,线圈励磁电流在60～180A范围内,沉积速率随励磁电流的调整而变化;磁控溅射薄膜沉积速率随靶基距的增大而下降;相同工艺条件下,非平衡模式下薄膜沉积速率高于平衡模式,且更易受到氩气流量变化的影响.关键词: 磁控溅射;非平衡磁控溅射;沉积速率;工艺参数中图号: O484.4 文献标识码: A 沉积速率是影响薄膜性能和镀膜设备性能的重要因素.它的大小直接影响薄膜的许多性能,如牢固度、薄膜应力、电阻率、薄膜硬度、表面光洁度、表面形貌以及薄膜的微观结构等[1],对沉积速率的研究是了解镀膜设备工作特性的主要内容.在实际的镀膜过程中,沉积速率可能与许多因素有关,如靶功率、靶基距、工作气压等.对于磁控溅射镀膜来说,提高溅射镀膜速率的关键在于如何提高等离子体的密度或电离度,以降低气体放电的阻抗,从而在相同的放电功率下获得更大的电流,也就是获得更多的离子轰击靶材.而提高等离子体的密度或电离度的关键在于如何充分的利用电子的能量,使其最大限度的用于电离.非平衡磁控溅射(unbalanced magnetron sputtering,UBMS)技术作为一种新型的技术,通过附加的磁场,使阴极靶面的等离子体状态发生较大改变,从而不仅具有普通磁控溅射(magnetron sputtering,MS)过程稳定、控制方便和大面积膜厚均匀性的特点,而且克服了基片附近离子密度小的缺点,容易获得附着力好、致密度高的薄膜,又避免了过高的内应力[2～4].目前,这种技术已经被广泛用来镀制T i、T iN、M oS2、D LC等多种功能薄膜[5].本文对MS和UBMS两种工作模式下薄膜沉积速率进行系统的研究,采用磁控溅射在玻璃基底上制备钛膜,研究了线圈励磁电流、靶基距和气体流量等工艺参数对沉积速率的关系,得出了一些有意义的结论.1 镀膜设备实验在白俄罗斯By-700型非平衡磁控溅射镀膜机上进行,图1为实验装置的系统结构图.磁控溅射沉积系统由一个磁控溅射靶和一个激励电流可调的电磁线圈构成.当电磁线圈不工作时,溅射系统工作在平衡模式,当电磁线圈通上一定的电流时,从靶面穿出的磁通量不等于穿入的磁通量,溅射系统工作在非平衡模式下,电磁线圈的激励电流在0～180A之间,所以等离子体的空间分布是可以调节的.实验所用的磁控溅射靶电源为恒流源,其最大功率为10kW,靶面尺寸为480mm×480mm,靶材为金属T i.靶面永磁体产生的水平磁感应强度值在溅射跑道区为40～60mT.由于实验中放电会引起气压波动,可以通过控制气体流量的稳定性,使之第25卷 第4期 西 安 工 业 学 院 学 报 V ol125 N o14 2005年8月 JOURNA L OF XIπAN I NSTIT UTE OF TECH NO LOGY Aug.2005Ξ收稿日期:2005204210作者简介:惠迎雪(1974-),男,西安工业学院助教,博士研究生,主要研究方向为薄膜技术、光电功能材料.图1 非平衡磁控溅射系统结构图Fig.1 S tructure of unbalanced megnetron sputtering system保持确定的数值,采用先启辉,然后调节溅射靶电流达到要求数值,再调节非平衡磁场激励电流的顺序,使系统达到稳定工作状态.2 薄膜制备实验的内容主要是考查磁两种不同的磁控溅射工作模式下各工艺参数对沉积速率的影响.实验中本底真空为5×10-3Pa 时,工作气体为氩气,工作真空度为2.2×10-1Pa ,真空度和气体流量分别由真空计和气体流量计来调节和控制.选用玻璃作为镀制基片,尺寸为90mm ×40mm ,用4¬1的酒精和乙醚混合液清洗,然后用胶带纸制作掩膜后,将其放置在基片台上.3 膜厚的测量在实验中采用台阶法来测量薄膜的厚度,所采用的测量仪器是干涉显微镜,该仪器由干涉仪和显微镜组合而成,测量时是将被测件和标准光学镜面相比较,用光波波长作为尺子来衡量样片表面的台阶深度,从而得到薄膜的厚度.其工作原理是:在测图2 薄膜台阶处条纹的位移Fig.2 Displacement of inter ferential fringeon sidestep of thin film量时将平行单色光垂直照射到薄膜上,由于发生干涉,产生了明暗相间的平行条纹,如图2所示,这时光在薄膜上的干涉就能反映出薄膜形状上的变化了.根据条纹间距L 和薄膜台阶处条纹发生的位移ΔL 以及单色光的波长λ,并参照劈尖干涉的有关结论,可得膜厚d 与它们的关系[6]d =ΔL ×λ/2L 实验中采用的是光源波长为0.54μm.为了保证测量的准确,可在薄膜上多选几点进行测量,然后再求其均值.4 实验结果和讨论4.1 励磁线圈电流对沉积速率的影响保持靶基距145mm ,靶电流9A ,在60～180A 范围内调节线圈励磁电流,可以得到非平衡磁控溅射模式下,沉积速率随励磁电流的变化曲线,如图3所示.图3 励磁线圈流与沉积速率的关系Fig.3 Relationship between disposition ratioof film and coil current由图3可知,在60～180A 的范围内,沉积速率随着励磁电流的增大先减小后增大,在100～120A 处较小.可见,非平衡磁控溅射镀膜沉积速率随着附加励磁线圈电流的变化而变化.显然,这是附加线圈励磁电流对磁场进行调制的结果.磁控溅射系统在非平衡模式工作时,与平衡模式相比,其最主要的特点是:非平衡模式可通过附加磁场调整靶表面的磁场分布,显著提高等离子体的密度.靶面磁场的大小是由线圈电流产生的附加磁场和由永久磁铁产生的固定磁场的矢量迭加决定的.非平衡磁场激励电流的调节过程也可以看成是优化阴极前横向磁场和纵向磁场场强分布的过程.随着线圈电流的变化,等离子体的密度分布受到影响,而等离子体的密度是影响溅射镀膜速率的关键因素.因此可以通过调节励磁电流来控制薄膜的沉积速率.803 西 安 工 业 学 院 学 报 第25卷4.2 靶基距对沉积速率的影响保持靶电流9A ,靶基距从85mm 变到195mm 变化时,测得平衡模式(此时线圈励磁电流为0A )和非平衡模式(此时线圈励磁电流调整为120A )薄膜沉积速率和靶基距的变化曲线,如图4所示.图4 不同工作模式靶基距和薄膜沉积速率的关系Fig.4 Relation of disposition ratio of films and distancebetween target and substrate由图4可知,在两种工作模式下,随着靶基距的增大,沉积速率均有下降的趋势.这是因为当靶材和基片距离较近时,镀膜区等离子密度较高,而且气体散射的作用很小,薄膜沉积速率都很高;而随着靶基距的增大,被溅射材料射向基片时与气体分子碰撞的次数增多,同时等离子密度也减弱,动能减少,因此薄膜沉积速率减少.实验中采用两种不同的工作模式研究靶基距与沉积速率的关系,以比较二者的不同,结果表明:在靶前85～165mm 范围内,相同工艺条件下,非平衡模式的沉积速率要略高一些.同时实验中还发现,当保持靶电流和其他工艺条件都不变时,非平衡磁场的存在,会使得靶电压得到不同程度的降低.如表1所示,靶电流相同条件下,非平衡模式靶电压比平衡模式靶电压低5～10V ,这一结论与文献[7]提出的数学模型是一致的.可见,如果表1 不同工作模式靶电流和靶电压的关系T ab.1 The V -I property of target under the balancedand the unbalanced condition靶电流/A 1.53691215靶电压/V平衡模式245285320400415425非平衡模式240275310390408420保持靶电压不变,非平衡模式下溅射源的靶电流将高于平衡模式,会获得更多的离子轰击靶材,也就是说,非平衡磁控溅射有更高的薄膜沉积速率.4.3 氩气分压与沉积速率的关系随着氩气分压的变化,靶电压、真空度也会随之变化,相应的影响到薄膜的沉积速率.实验显示了磁控源以两种不同的工作模式时(在非平衡模式下,线圈励磁电流为120A ),靶基距保持在145mm ,靶电流9A 时,改变氩气分压对沉积速率的影响.如图5所示,无论是平衡磁控溅射还是非平衡磁控溅射,沉积速率随工作气压的增大而先增大后减小,有一个最大沉积速率,对应一个最佳工作气压.这可以由气体放电理论来解释[8]:当氩气流量小时,气体分子的平均自由路程大,使得被溅射材料和气体分子相互碰撞次数少,产生二次电子数目也少,放电减弱或阴极捕集离子的效率低,沉积速率低,随氩气流量增大,气体分子与被溅射材料原子碰撞次数增大,产生二次电子数目也增多,沉积速率增大,但氩气流量过大时,粒子与氩气碰撞次数大大增多,粒子能量在碰撞过程中大大损失,致使粒子达不到基片或无力冲破气体吸附层,于是便不能形成薄膜,或虽然勉强冲破气体吸附层,但与基片的吸附能却很小,因此沉积速率低.图5 不同工作模式氩分压和薄膜沉积速率的关系Fig.5 Relation between disposition ratio offilm and w orking gass pressure此外,从图5还可看到,非平衡模式下,沉积速率随氩气分压变化波动更大.这是由于磁控溅射系统工作在非平衡模式时,在线圈磁场的作用下,靶面的磁力线被发散开来,更多的电子脱离了靶面磁场的束缚,形成了高密度的等离子体区,使得中性粒子在穿过阴极暗区的行程中,发生电荷转移碰撞的截面要比平衡模式大,因此其受到氩气分压变化的影响也要相对大一些.903 第4期 惠迎雪等:磁控溅射薄膜沉积速率的研究 5 结论对于磁控溅射系统来说,磁场的分布是影响平衡和非平衡两种工作模式薄膜沉积速率的主要因素,通过实验结果和分析可得到如下结论.1)磁控溅射源以非平衡模式工作时,线圈励磁电流在60～180A范围内,沉积速率随励磁电流的调整而变化;2)薄膜沉积速率随靶基距的增大而下降,在相同工艺条件和靶电压下,非平衡模式薄膜沉积速率高于平衡模式;3)与平衡模式相比,非平衡模式下薄膜沉积速率受氩气的影响相对大一些.通过采用磁控溅射制备金属T i膜的工艺实验,研究了磁控溅射系统在不同工作模式下,沉积速率与工艺参数的关系规律.虽然本文结论是在T i 靶上得到的,但对Cu、M o以及类金刚石薄膜等功能薄膜的镀膜工艺研究,具有一定的参考价值.参考文献:[1] 严一心,林鸿海.薄膜技术[M].北京:兵器工业出版社,1994.[2] Perry A J,Matossian J N.An overview of s ome advancedsur face technology in Russion[J].Matal&Mater tran,1998,29(2):593.[3] 董骐,范毓殿.非平衡磁控溅射及其应用[J].真空科学与技术,1996,16(1):51.[4] Musil J.Recent advances in magnetron sputtering technology[J].Sur face and C oatings T echnology,1998,100-101:280.[5] H ou Q R,G ao J.In fluence of a magnetron field on deposi2tion of D LC films[J].Appl.Phys.A,1998,67:417.[6] 王力衡,黄运添.薄膜技术[M].北京:清华大学出版社,1991.[7] 牟宗信,李国卿,车德良,等.非平衡磁控溅射沉积系统伏安特性模型研究[J].2004,53(06):1994.[8] 汪泓宏,田民波.离子束表面强化[M].北京:机械工业出版社,1991.Study of the film deposition ratio by m agnetron sputteringXI Ying-xue1,2,H ANG Ling-xia1,XU Jun-qi1(1.School of Optoelectronical Engineering,X i’an Institute of T echnology,X i’an710032,China;2.N orthwestern P olytechnical University)Abstract: The film deposition ratio is an im portant parameter in fluencing the film property,and hence is w orth of re2 searching in order to im prove the quality of thin films.The titanium(T i)films were deposited on glass substrates by conventional magnetron sputtering(MS)and unbalanced magnetron sputtering(BUMS)respectively.The influence of various factors,including target-to-substrate distance,w orking gases pressure and exciting current of coil,on the deposi2 tion ratio of films was experimentally studied.The results indicate the following conclusions.The deposition ratio of films by UMS varies with changes of the current of magnetron field coin from60to120A.The depositions ratio of films declines with the increase of distance between target and substrate.Under otherwise equal conditions,the film deposi2 tion ratio by UMS is higher and m ore in fluenced with w orking gases pressure than by MS.K ey Words: magnetron sputtering(MS);unbalanced magnetron sputtering(UBMS);deposition ratio;technical pa2 rameter(责任编辑、校对 张立新) 013 西 安 工 业 学 院 学 报 第25卷。
