影響磁控濺射均勻性的因素

1、影響磁控濺射均勻性的因素影響磁控濺射均勻性的因素王軍生 童洪輝 趙嘉學(xué) 韓大凱 戴彬（核工業(yè)西南物理研究院）摘 要：用中頻孚生靶磁控濺射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)影響磁控濺射生成的薄膜厚 度均勻性的因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，磁場(chǎng)的均勻性和工作氣體的均勻性是 影響成膜均勻性的主要因素。針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了用磁場(chǎng)和氣體相互配合達(dá) 到高的鍍膜均勻性。關(guān)鍵詞：磁控濺射磁場(chǎng)氣體均勻性中圖分類號(hào)O539磁控濺射生成的薄膜厚度的均勻性是成膜性質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因此有必 要研究影響磁控濺射均勻性的因素，以更好的實(shí)現(xiàn)磁控濺射均勻鍍膜。簡(jiǎn)單的 說(shuō)磁控濺射就是在正交的電磁場(chǎng)中，閉合的磁場(chǎng)束縛電子圍繞靶面做螺線運(yùn) 動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中

2、不斷撞擊工作氣體氧氣電離出大量的氯離子，氯離子在電場(chǎng) 作用下加速轟擊靶材，濺射出呈中性的靶原子（或分子）沉積在基片上成膜。所 以要實(shí)現(xiàn)均勻的鍍膜，就需要均勻的濺射出靶原子（或分子），這就要求轟擊靶材的氯離子是均勻的且是均勻的轟擊的。由丁氯離子在電場(chǎng)作用下加速轟擊靶 材，所以均勻轟擊很大程度上依賴電場(chǎng)的均勻。而氯離子來(lái)源丁被閉合的磁場(chǎng) 束縛的電子在運(yùn)動(dòng)中不斷撞擊的工作氣體氧氣，這就要求磁場(chǎng)均勻和工作氣體 氧氣均勻。但是實(shí)際的磁控濺射裝置中，這些因素都是不均勻的，這就有必要 研究他們不均勻?qū)Τ赡ぞ鶆蛐缘挠绊憽４艌?chǎng)不均勻的影響由丁實(shí)際的磁控濺射裝置中電場(chǎng)和磁場(chǎng)不是處處均勻的，也不是處處正交 的，都是

3、空間的函數(shù)。寫出的三維運(yùn)動(dòng)方程表達(dá)式是不可解的，至少?zèng)]有初等 函數(shù)的解1。所以磁場(chǎng)的不均勻性對(duì)離子的影響，也即對(duì)成膜不均勻性的影響是 難以計(jì)算的，最好的方法就是配合實(shí)驗(yàn)具體分析。圖 1是用中頻孚生靶柔性卷 繞磁控濺射鍍膜裝置實(shí)驗(yàn)得出的靶磁場(chǎng)均勻性和成膜厚度均勻性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖1中，磁場(chǎng)的均勻性計(jì)算方法為（Bi Ba） /Ba，其中Bi為實(shí)際測(cè)量的靶的長(zhǎng) 度方向各點(diǎn)沿靶的寬度方向的磁場(chǎng)，Ba為實(shí)際測(cè)量的所有Bi平均；薄膜的厚度 相對(duì)偏差由公式（kdi-kda）/kda計(jì)算，其中k為膜層對(duì)波長(zhǎng)550nm的光的吸收系數(shù)， di分別為不同點(diǎn)的厚度，d以所有di的平均厚度。kdi由公式T=To（1-R）

4、exp（-kdi）計(jì) 算，其中，T為樣品對(duì)波長(zhǎng)550nm的光的透光率，To為PET聚酯基材對(duì)波長(zhǎng) 550nm的光的透光率，R為鈦薄膜和基材接觸界面對(duì)波長(zhǎng)550nm的光的反射率，可 以認(rèn)為和鈦薄膜和空氣界面的反射率相等。T、T。、R由島津的UV-3600分光光度計(jì)測(cè)量。從圖中可以看出，磁場(chǎng)和成膜的相對(duì)偏差有大致的對(duì)應(yīng)關(guān)系，磁場(chǎng)強(qiáng)的位 置，膜相對(duì)比較厚，反之就較薄。但是這種對(duì)應(yīng)關(guān)系卻是不嚴(yán)格的。第一，磁 場(chǎng)均勻性波動(dòng)比較頻繁，膜厚均勻性波動(dòng)較少；第二，不均勻性大小也沒(méi)有確 切的比例關(guān)系；第三，有的位置磁場(chǎng)大小和膜的厚薄甚至相反。產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)的位置，膜相對(duì)比較厚，反之就較薄的現(xiàn)象很容易理解。因?yàn)?在磁

5、場(chǎng)強(qiáng)的地方，束縛的電子多，激發(fā)的離子就多，當(dāng)然被濺射出的靶材就 多，膜就厚，反之則相反。產(chǎn)生第一種現(xiàn)象的原因是靶面上的每個(gè)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)基 材上的一個(gè)面，即，從靶面上的一個(gè)點(diǎn)上被濺射出的原子（或分子），不是被對(duì)應(yīng)的鍍到基材上的某一個(gè)點(diǎn)上，而是以一定的幾率被鍍到基材上的一個(gè)小面內(nèi) 的任意一點(diǎn)兒上。反過(guò)來(lái)，基材上某處被鍍上的膜，是靶上的一個(gè)小面共同作 用的結(jié)果。這樣，相近靶磁場(chǎng)的疊加作用對(duì)鍍膜起作用，很多距離很近的靶磁 場(chǎng)的波動(dòng)被疊加后當(dāng)然就顯示不出來(lái)了。解釋第二、第三種現(xiàn)象就要用到磁鏡理論了。理想情況下，磁鏡只存在丁 靶的寬度方向，靶的長(zhǎng)度方向是沒(méi)有磁場(chǎng)分量的，也就沒(méi)有磁鏡。但是，實(shí)際 情況下，靶的長(zhǎng)

6、度方向也存在磁場(chǎng)，存在磁鏡，這就使得電子沿著靶的長(zhǎng)度方 向運(yùn)動(dòng)不再順暢。在某些位置，由丁磁鏡的阻擋電子會(huì)比較多，相反一些位置 會(huì)由丁磁鏡的阻擋電子比較少。這樣就導(dǎo)致一些位置膜較厚一些位置膜較薄， 形成膜厚不均勻。而這些靶的長(zhǎng)度方向的磁鏡，主要在靶的寬度方向磁場(chǎng)變化 比較大的位置，例如圖中100cm附近，大約在95cm到100cm之間，靶的寬度 方向磁場(chǎng)變化較大，靶的長(zhǎng)度方向磁場(chǎng)分量不為零且存在梯度，這樣就形成了 磁鏡阻擋部分電子穿過(guò)此區(qū)域到達(dá) 100cm以后的位置。同樣的，在 100cm到 130cm之間，靶的長(zhǎng)度方向也存在磁場(chǎng)且有梯度，這樣，在此區(qū)域電子會(huì)受到 力的作用被排斥，此區(qū)域電子就急

7、劇減少，所以濺射速率也急劇減小，膜層就 很快變薄?？偟膩?lái)說(shuō)，靶的寬度方向磁場(chǎng)束縛電子，靶的長(zhǎng)度方向也會(huì)有一定 的磁場(chǎng)對(duì)電子有作用力。所以總的效果是，膜厚大體上和靶的寬度方向磁場(chǎng)對(duì) 應(yīng)，但乂不是完全對(duì)應(yīng)。氣體不均勻性的影響般來(lái)說(shuō)氣體不均勻可以由兩種情況產(chǎn)生，一種是送氣不均勻，另一種就是抽氣不均勻。圖2是均勻抽氣不同送氣方式下膜厚的變化情況:其2中，銅管送氣是氣體從銅管的一端進(jìn)入，從銅管上均勻開(kāi)的多個(gè)小孔流出 進(jìn)入真空室，由丁從進(jìn)氣端到末端氣體被小孔流出形成壓強(qiáng)漸小，小孔流出的氣體也逐漸減少，形成不均勻送氣；二進(jìn)制送氣是將氣體均勻的一路分為二 路，二路均分為四路，如此均分為多路后送入真空室，可認(rèn)為

8、是均勻送氣。觀 察對(duì)比圖中曲線可知二進(jìn)制送氣情況下，影響膜厚不均勻的主要是磁場(chǎng)，銅管 送氣的情況下，膜厚的分布，在磁場(chǎng)影響的基礎(chǔ)上，疊加了一個(gè)斜率。這個(gè)斜 率，正好和銅管送氣產(chǎn)生的壓強(qiáng)梯度相符。壓強(qiáng)大的地方，膜較厚，相反較 薄。根據(jù)形成不均勻送氣的原理可以推知，膜層厚度的變化斜率可能和小孔的 密度，大小和送氣壓力有關(guān)，基本關(guān)系大概是和小孔密度、大小成正比，和送 氣壓力成反比。圖3是均勻送氣不同抽氣情況下膜厚的變化情況：I圖3二進(jìn)制送氣不同抽氣情況下膜厚相對(duì)均勻性對(duì)比 12%| 10% 8% .一4 4 4 4 49 9 94 2 0 2 4 差偏對(duì)-后分子泵關(guān)其中，正常抽氣情況指的是真空室內(nèi)的

9、孚生靶兩端對(duì)稱抽氣，可認(rèn)為是均勻抽 氣；而前分子泵關(guān)和后分子泵關(guān)則是一端抽氣，屆丁不均勻抽氣。由丁都是均 勻送氣不均勻抽氣，真空室內(nèi)的氣體就不均勻了。很顯然前分子泵關(guān)只開(kāi)后分 子泵時(shí)，氣壓從前到后逐漸減小，而后分子泵關(guān)只開(kāi)前分子泵時(shí)，氣壓從后到 前逐漸減小。實(shí)驗(yàn)得到的膜厚考慮磁場(chǎng)的影響后也正與氣壓變化相符。另外還可以發(fā)現(xiàn)，某些位置本來(lái)受磁場(chǎng)的影響均勻性較差，但是加上抽氣 引起的氣體不均勻影響后，均勻性反而變好了。這就給我們一個(gè)啟示，也許可 以通過(guò)特意使氣體在某處有特定的不均勻來(lái)補(bǔ)償磁鐵不均勻產(chǎn)生的影響。靶基距、氣壓的影響靶基距也是影響磁控濺射薄膜厚度均勻性的重要工藝參數(shù)，薄膜厚度均勻 性在一定范圍內(nèi)隨著靶基距的增大有提高的趨勢(shì)；23濺射工作氣壓也是影響薄 膜厚度均勻性重要因素 。但是，這種均勻是在小范圍內(nèi)的，因?yàn)樵龃蟀谢?產(chǎn)生的均勻性是增加靶上的一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基材上的面積產(chǎn)生的，而增加工作氣壓 是由丁增加粒子散射產(chǎn)生的，顯然，這些因素只能在小面積范圍內(nèi)起作用。結(jié)論：磁場(chǎng)的均勻性和工作氣體的均勻性是影響成膜均勻性的主要