磁控溅射真空制膜技术

第 24 卷 第 1 期 2007 年 1 月
贵州大学学报 ( 自然科学版 ) Journa l o f G uizhou U n ive rsity ( N atura l Sc iences)
Vo. l 24 N o . 1 Jan. 2007
文章编号
1000- 5269( 2007) 01- 0068- 03
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。在适当的条件下, 可采用共溅方式
沉积所需组分的混合物薄膜; 也可以在溅射的放电气氛中加入氧、氮或其它活性气体, 可反应沉积形成
ห้องสมุดไป่ตู้
收稿日期 : 2006- 11- 15 作者简介 : 余平 ( 1980- ) , 女 , 2004级硕士研究生 ; 研究方向 : 微电子。
第 1期
余平 等 : 磁控溅射真空制膜技术
1 磁控溅射的原理和特点
溅射是一个在离子与物质表面原子碰撞过程中发生能量与动量转移、最终将物质表面原子激发出来 的复杂过程。溅射过程中 A r 以几十电子伏以上的能量直接轰击材料表面 , 使其表面原子获得足够的能 量以克服表面束缚能 , 同时以一定的能量进入真空室中并沉积到基片表面。受轰击的固体通常称为靶 材 , 溅射出的物质都呈原子状态, 也可能有原子团 , 常称为溅射原子。 磁控溅射是在阴极靶表面上方形成一个正交电磁场。当溅射产生的二次电子在阴极位区被加速为高 能电子后, 并不直接飞向阳极 , 而是在正交电磁场作用下作来回振荡的近似摆线的运动。在运动中高能 电子不断的与气体分子发生碰撞, 并向后者转移能量, 使之电离而本身变为低能电子。这些低能电子最 终沿磁力线漂移到阴极附近而被吸收 , 从而避免了高能电子对基板的强烈轰击 , 一般电子要经过上百米 的飞行才能最终被阳极吸收, 磁控溅射的电离效率很高 , 易于放电。 磁控溅射的使用范围很广 , 可制备成靶材的各种材料均可以此方法制备成薄膜材料, 包括各种金 属、半导体、铁磁材料、绝缘的氧化物、陶瓷、聚合物等物质 靶材物质与气体分子的化合物薄膜; JGP- 560型磁控溅射仪溅射室内共有五个靶位和六个基片位, 其中两个电磁靶, 两个永磁靶和一 个射频靶, 两个永磁靶可共溅 , 六个基片位中有一个可以加热。可以进行直流溅射、射频溅射、反应溅 射、共溅射 ; 直流溅射又称为阴极溅射或二极溅射。直流溅射可以很方便地溅射沉积各类合金薄膜 , 但 这一方法的前提之一是靶材应具有较好的导电性。射频溅射是适用于各种金属和非金属材料的一种溅射 沉积方法。它的优点是对靶材的导电性没有要求。反应溅射是在通入 A r气的同时通入相应的活性气体 ,
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磁控溅射真空制膜技术
余 平, 任雪勇, 肖清泉, 张晋敏
(贵州大学计算机科学与技术学院电子科学系 , 贵州 贵阳 550025 )
摘 要 : 利用 JGP - 560CⅧ型带空气锁的超高真空多功能溅射系统在 S i ( 100) 和玻璃基底上 沉积了介质薄膜 、半导体薄膜、 金属薄膜和磁性薄膜, 通过实验研究得到各种薄膜较好的镀膜 条件; 并采用可变入射角椭圆偏振光谱仪对其中一些薄膜的光学性质进行了分析, 研究了制备 条件对薄膜在可见光范围内光学性质的影响; 我们还研究了直流溅射 、射频溅射、 反应溅射的 特点和它们的适用范围。 关键词 : 磁控溅射; 薄膜 ; 椭偏仪 中图分类号 : TN304 文献标识码 : A
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使金属原子与活性气体在溅射沉积的过程中, 由溅射原子与活性气体分子在衬底表面发生化学反应而形 成合金膜或化合物膜。同时活性气体可以抑制化合物的分解倾向。利用这种方法不仅可以制备 A i2 O3、 Si O 2 等氧化物 , 还可以制备碳化物、氮化物、硫化物、复合氧化物等。通过控制反应溅射过程中活性 气体的压力 , 得到不同组分的薄膜, 得到的沉积产物可以是合金固溶体, 也可以是化合物, 或两者的混 合物。但在溅射过程中, 随着活性气体压力的增加 , 靶材表面也可能形成一层相应的化合物, 并导致溅 射和薄膜沉积速率的降低。反应溅射既可以是直流反应溅射 , 也可以是射频反应溅射。共溅射是使用两 个由不同材料制备的阴极靶, 同时进行溅射, 通过调节阴极靶上溅射放电电流 , 来改变薄膜的成分 还可以在一个主要的靶材的表面, 固定或粘贴其它材料薄片 , 实现共溅。
4 结论
1) 磁控溅射制备的非晶膜经过一定功率的激光扫描 , 对薄膜处理起到退火的作用, 生成了 和
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图1
3#的 XRD 图
图 2 2#的 SE M 图像
图 3 FeSi样品的折射率和吸收系数
相的 FeSi2; 如果要得到单一相的 F eS i2 膜, 必须严格控制薄膜的处理条件。处理后的样品有明显的晶粒 生成, 但不均匀 , 呈多晶状态。 2) 激光功率在 16- 19A 时明显改变了薄膜的光学特性, 引起吸收系数在 3 0eV 附近明显增大 , 即 在可见光范围内存在吸收边, 同时激光导致的样品表面损伤十分明显。当处理电流小于 16A 时 , 对薄 膜光学性质影响极小。 3) 对 Fe / S i膜, 较好的制膜条件是: 本底气压 2 10 P a , 工作气压 2 0P a , 气体流量 30sccm, 溅 射功率 100 W 左右。 (下转第 86 页 )
0 引言
磁控溅射法又叫高速低温溅射法 , 是一种十分有效的薄膜沉积方法, 与蒸发法相比 , 具有镀膜层与 基材的结合力强 , 镀膜层致密、均匀 , 成份容易控制等优点。在微电子、光学薄膜、材料等方面用于薄 膜的沉积、表面处理等。 1852 年 G rove 首次描述溅射这种物理现象, 20 世纪 40 年代溅射技术作为一种 沉积镀膜方法开始得到应用和发展。本文利用 JGP - 560CⅧ型带空气锁的超高真空多功能溅射系统制备 F e /S i膜, 并以此为例研究了制备条件和激光处理条件对薄膜光学性质的影响。
Abstract : T he basic concepts and characterist ics about th e current m odel circuit and trans conductor ( gm ) have been g iven , the m ethod of enhancing linear sca le of transm ission characteristics of input end and enlarg ing lin ear area are in vestig ated and proposed . K ey words : Operational T ransconductance Am p lifier ; T ransconductor ; the current m ode l c ircui; t L inear izatio n
3 结果与讨论
3 1 XRD 和 SEM 分析 图 1为 3 # 样品的 XRD 图, 图中位于 2 = 18 28 的较强峰是 - F eSi2, 除此之外 , 还可以看到 F eSi2、 FeS i和未反应的 F e的衍射峰, 表明所制备的膜为多晶态混合相结构。从 2 # 的 SEM 图像 ( 图 2) 可以看到, 该薄膜有明显的晶粒, 但不均匀, 从而验证了上述结果。 3 2 F e /S i膜的光学性质 图 3 为不同功率激光扫描后 F e /S i膜在入射角为 75 时的椭偏光谱 ; 总的看来, 相同条件下沉积的 薄膜用不同的激光功率处理后, 其光谱有相似的变化趋势, 吸收系数在 3 0eV 发生巨大变化, 样品 2 #、 3 #、 4 #的吸收系数明显增加 , 即在可见光范围内存在吸收边。 6 #样品由于激光处理电流较小, 对样品基 本起不到退火的作用 , 所以光谱曲线与其它几支相差较大。
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2 实验
2 1 样品制备 衬底的清洗 : 先用丙酮超声清洗 10 分钟除去油污 , 随后用去离子水冲洗干净, 放入无水乙醇中再 超声清洗 10 分钟 , 再用去离子水冲洗干净, 放入干燥箱烘干。溅射前先对样品进行反溅 10 分钟, 以除 去表面的污染物、氧化物和附着物。溅射样品时要对新靶进行预溅 2- 10分钟。 本文中所使用的溅射装置是中科院沈科仪生产的 JGP - 560CⅧ型带空气锁的超高真空多功能溅射系 统。基底采用 S i ( 100) 或载玻片, 经过清洗后用溅射法进行薄膜生长。以 ( F eSi) 10 为例 , 薄膜的生 长条件如下 : 靶材是纯度为 99 95 % 的纯铁和 99 99 % 的硅靶 , 本底真空度优于 2 0 中基片可在 10- 5Pa , 溅射气 体为 99 999 % 高纯 A r气, 溅射气压控制在 2 0Pa , 气体流量为 30scc m, 溅射功率约为 100 W。溅射过程 20 范围摇摆以保证薄膜的均匀性; 薄膜的厚度通过控制溅射时间来控制。 实验中发现 , 在其他条件不变的条件下, 有一个最佳气压值。气压过高时使溅射的原子与气体碰撞 几率增加, 导致沉积速率下降 , 薄膜的牢固性变差 , 当压力较低时, 由于放电减弱甚至难以维持辉光 , 沉积速率会降低。同时为使镀膜实验得以顺利进行 , 必须保持一定的功率。当功率较小时, 辉光放电难 以维持 , 当功率过大时, 溅射率急剧增大 , 靶材温度过高, 溅射原子在基片上凝结的核很多, 而且核处 于比较高的能量状态 , 会导致薄膜内部存在比较大的应力。 2 2 分析方法 溅射沉积的 F e /S i膜, 随后用脉冲激光扫描的方式进行退火处理, 激光扫描间隔为 0 01mm, 激光 处理电流分别为 18A ( 2 # ) 、 17A ( 3# ) 、 16A ( 4# ) 、 15A ( 6# ) ; 处理后的样品用日本理学 D /M ax 2200型全自动 X - 射线衍射仪测量其晶体结构, 用 E llip - A 型全自动椭圆偏振光谱仪测量其光学性质 , 测量入射角为 75 、 70 、 65 , 测量的光子能量范围是 1 5e V ~ 4 5eV。并用扫描电子显微镜 ( SEM ) 观 察其表面的显微形貌。