磁控溅射薄膜附着性能的影响因素_宋文龙
物理气相沉积
Bipolar RS>100 cycles, low bias, stable distribution of switching characteristic
C
Ohmic and Poole–Frenkel conductions play dominant role
D
E
Switching mechanism involves formation/rupture of filaments made of O2 vacancies.
法,该技术推动了IC制造业的大发展。
8088
• 1979年3月 • 16 Bit • 29000晶体管 • 5到8MHz
Intel 386
• 1985年10月 • 32 Bit • 275000晶体管 • 16到32 MHz • 1um
• 1.5um
• 1989年4月 • 32 Bit • 1,200,000晶体管 • 25到50 MHz • 1-0.8um
各种炮和武 15.7 器 车辆 14.3
国防预算中 40.7 的电子含量
注: *电子含量=电子采购费+科研费/国防武器装备采购费+科研费资料来源
In the last several decades, computer memory develops rapidly by reducing the size of the unit cell and increasing the intensity of the memories.
(Bede D1, Bede PLC London, UK)
● Optical transmittance: Hitachi U2800 UV/VIS spectrophotometer
磁控溅射沉积sio
磁控溅射沉积sio
磁控溅射沉积（magnetron sputtering deposition）是一种常
用的薄膜沉积技术，它利用磁场和惰性气体离子轰击靶材表面，使
靶材表面的原子或分子被剥离并沉积到基底上形成薄膜。
SiO（二氧
化硅）是一种常见的材料，磁控溅射沉积SiO薄膜具有许多应用，
比如在光学薄膜、光伏器件、集成电路等领域。
从物理角度来看，磁控溅射沉积SiO薄膜的过程涉及到离子轰击、原子扩散和沉积等多个物理过程。
当靶材表面被离子轰击时，
靶材表面的SiO原子或分子会被剥离并以高能量沉积到基底表面上，形成SiO薄膜。
磁场的作用可以提高沉积速率、改善薄膜的致密性
和均匀性。
从工艺参数的角度来看，影响磁控溅射沉积SiO薄膜质量的因
素有很多，比如工艺气压、靶材材料纯度、沉积温度、基底材料等。
合理选择和控制这些工艺参数对于获得高质量的SiO薄膜至关重要。
此外，从应用角度来看，磁控溅射沉积的SiO薄膜具有优良的
光学性能和化学稳定性，因此在制备光学薄膜、光伏器件、集成电
路等方面有着广泛的应用前景。
总的来说，磁控溅射沉积SiO薄膜是一种重要的薄膜沉积技术，它涉及到复杂的物理过程、工艺参数选择和应用前景，对于理解和
掌握这一技术有着重要的意义。
磁控溅射镀膜公转对镀膜的影响
磁控溅射镀膜公转对镀膜的影响随着科学技术的不断进步，表面涂层技术也在不断创新。
磁控溅射镀膜技术是一种常用的表面涂层技术，它利用磁控溅射装置将固体材料蒸发并沉积在基材表面，以改善基材的性能。
公转是磁控溅射镀膜中的一个重要参数，它对镀膜过程和薄膜性能都有着重要的影响。
本文将从多个方面讨论公转对磁控溅射镀膜的影响。
1. 公转对薄膜均匀性的影响在磁控溅射镀膜过程中，公转是指靶材周围的基材沿着镀膜室轴线进行旋转运动。
公转的速度和方向对于薄膜的均匀性有着重要的影响。
当公转速度过慢时，蒸发材料只会沉积在基材的中心位置，使得薄膜边缘处厚度较薄，中心部位较厚；当公转速度过快时，蒸发材料会向外飞散，也会导致薄膜的厚度不均匀。
合适的公转速度和方向能够使得薄膜的厚度分布更加均匀，提高薄膜的质量和稳定性。
2. 公转对薄膜成分的影响在磁控溅射镀膜过程中，靶材表面的成分、温度和结构都会影响薄膜的成分。
而通过调节公转参数，可以改变靶材表面的成分和温度，进而影响薄膜的成分。
研究表明，适当调节公转速度和方向，可以改善镀膜过程中的靶材表面温度分布和成分分布，使得薄膜的成分更加均匀和稳定。
3. 公转对薄膜微观结构的影响薄膜的微观结构对其性能有着重要的影响。
通过调节公转参数，可以影响薄膜在基材上的晶粒大小、取向和结构。
研究发现，适当的公转参数能够有效地调控薄膜的微观结构，使得薄膜的晶粒更加致密和均匀，提高薄膜的力学性能和耐腐蚀性能。
4. 公转对镀膜速率的影响在磁控溅射镀膜过程中，蒸发材料的沉积速率直接影响着薄膜的厚度和成分。
而公转速度和方向可以调节蒸发材料的沉积速率。
研究表明，适当的公转参数可以提高蒸发材料的沉积效率，使得薄膜的沉积速率更加稳定和均匀。
总结：磁控溅射镀膜公转对镀膜的影响是多方面的，包括对薄膜均匀性、成分、微观结构和沉积速率等方面都有着重要的影响。
通过合理调节公转参数，可以实现对薄膜质量和性能的有效控制，为磁控溅射镀膜技术的应用提供了重要的理论基础和技术支持。
脉冲偏压占空比对磁控溅射制备ITO薄膜光电性能的影响
脉冲偏压占空比对磁控溅射制备ITO薄膜光电性能的影响ITO（Indium-Tin Oxide）透明导电膜，是一种体心立方铁锰矿结构的宽禁带透明导电材料。
它具有优异的光电性能：对可见光透过率可达85%以上，低电阻率（10-3Ω·cm～10-4Ω·cm），较宽的能隙（Eg=3.6eV～3.9eV），同时还具有高硬度、耐磨、耐化学腐蚀特性以及容易刻蚀成一定形状的电极图形等诸多优点，被广泛应用于太阳能电池、液晶显示器等光致发光元器件上。
制备ITO薄膜的方法很多，如磁控溅射法、电子束蒸发法、喷雾热分解法、溶胶-凝胶法等。
在这些方法中，磁控溅射镀膜可以準确地控制工艺参数，大面积衬底上均匀成膜，重复性好，获得光电性能优异的ITO薄膜。
在磁控溅射镀膜的过程中，影响ITO薄膜性能的因素有很多，包括射频功率、溅射气压、退火温度、薄膜厚度、基底温度、脉冲偏压以及脉冲偏压占空比等，其中脉冲偏压占空比对薄膜性能影响的相关研究很少。
然而，改变脉冲偏压占空比，可以调节轰击离子的时间—空间分布，进而影响薄膜沉积过程中表面原子的扩散进程，最终改变薄膜的各项性能。
实验以脉冲偏压占空比作为研究变量，着重研究脉冲偏压占空比对磁控溅射制备ITO薄膜相关特性的影响，以期寻找到脉冲偏压占空比对ITO薄膜光学、电学、表面微观形貌以及微观组织结构等的影响规律，从而获取到更好的薄膜制备条件。
二、实验通过射频磁控溅射，在玻璃衬底上制备不同脉冲偏压占空比条件下的ITO薄膜。
首先在靶基距11厘米、温度200℃、氩气15sccm离子源占空比40%、离子源电流0.4安的条件下，通过离子源对衬底进行清洗1分。
随后，在射频电源功率350瓦、偏压20伏、温度200℃、氩气40sccm、气压0.4帕，沉积时间8.5分的条件下，制备不同脉冲偏压占空比的ITO薄膜。
采用分光光度计、X射线衍射仪（XRD）、霍尔效应测量仪以及扫描电子显微镜（FESEM）对薄膜的光学性能、微观结构、电学性能以及微观形貌进行分析。
氧掺杂对磁控溅射ZAO薄膜性能的影响
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟氧掺杂对磁控溅射ZAO 薄膜性能的影响通过磁控溅射氧化铝锌陶瓷靶材的方法在玻璃基片上制备ZAO 薄膜，研究了不同氧掺杂量对于ZAO 膜电学及光学性能的影响，使用X 射线衍射仪衍射分析了薄膜相结构，使用四探针方阻仪测试薄膜的方阻，采用紫外可见分光光度计测试薄膜透过率。
结果表明：在通入较低氧分量时对ZAO 薄膜结晶性能及光电性能没有太大的影响，但随着氧分量的增加ZAO 薄膜性能急剧下降。
掺铝氧化锌(ZAO)薄膜在可见光区具有高的透过率，极低的电阻率，并且作为掺杂的Al 元素具有原料易得、价格低、无污染等优点。
因此，ZAO 薄膜已广泛地应用于计算机、太阳能器件、半导体等领域中。
制备ZAO 薄膜的方法主要有：磁控溅射、化学气相沉积、脉冲激光沉积、溶胶-凝胶等方法，其中磁控溅射的方法最适合大面积工业化生产。
一些研究表明采用磁控溅射法制备ZnO 系列薄膜时进行氧掺杂有助于ZAO 和ZnO 薄膜结晶质量的提高和(002)峰的择优取向，但此类研究多为实验室的小型溅射机及进行小面积基片的镀膜。
本文使用可进行较大面积镀膜的溅射镀膜线对玻璃基片进行ZAO 薄膜的制备，研究氧掺杂对ZAO 薄膜性能的影响，验证其对于实际生产的应用价值。
1、实验方法采用中频交流磁控溅射系统制备ZAO 薄膜,系统极限真空约为5.0 乘以10-4Pa。
工作气体为氩气和氧气,通过质量流量计来控制工艺气体流量，采用Al2O3 质量分数为2%的氧化锌铝陶瓷靶材,靶材有效面积为80mm 乘以360mm, 靶与基体距离为80mm。
基体为玻璃(厚度为3mm，面积为900cm2)。
实验时本底真空度为1.0 乘以10-3Pa，基片温度控制在250℃，具体沉积工艺可见表1。
磁控溅射淀积速率影响因素及最佳工艺参数研究
３ 磁 控 溅 射 淀积 速 率 影 响因素及 最 佳 工 艺参 数 的 平均 自由程与气体压强、气体分子直径成 反比，与气体温度成
研究
正比。在保持气体分子直径和气体温度 不变 的条件 如果工
３．１实验环 境 、设备 过程
作压 强增大 ，气体分 子平均 自由程将 减小，溅射粒子与气体分
关键 词：磁控 溅射 ；集 成电路 金属化 ；淀积速率 影响因素 ；最佳工艺条件
１ 引言
数学计算等多种研 究方法，对 淀积 速度的主要影响因素进行
随着集 成电路规模 的发展 ，器件尺寸的缩小，多层布线 了分析，得出了规律，并根据产品对膜 厚的要求范围，得 出最 和铜互连的引入 ，对于形成器件接 触和互连 的金属化方面也 优的工艺条件。
响 ，虽然已经有磁控溅 射工艺的研 究，但是限于理论和实 率，产生了更多的二次电子，进而增 加了等离子体 中电离的速 验室的研究较多，对于用于大规模实际生产的溅射工艺研究 率。最 终的效果是增加了等离子体 的密度 ，淀积速率提高数
很少，磁 控溅射镀 膜工艺具有共性的规律，但 同时不 同国家 倍 。
不同型 号的设备 镀膜中也具有个性。本文采用 目前大规 模生
产中先进的常用的圆形平面磁控溅射设备对磁控溅射镀膜工
艺进行研究很有实际意义。本文采用实验验证 ，理论分析，
作者 简介 ：董西英，硕士，高级卫 陧师，微电子技术专 嫦 Ｉ头人， 南京盎 积业技术学院，研 究方 集成电路芯虹 艺、封装 测试； 马刚领，南京 息职 业技 术学院。
接触 、整流 接触 ，大大地 提高了器件 的成 品率 ．对降低器 件 按物理过程撞击 出靶材原子，被撞出的靶材原子穿过真空最
成本起到了极为重要的作用“ 。此 外磁 控溅射镀膜工艺还具 后淀积在硅片上。磁控溅 射工艺的设备示意如图１，高纯金属
加工篇：浅析磁控溅射制备AZO薄膜技术及影响因素
浅析磁控溅射制备AZO薄膜技术及影响因素 Study on technology and influencing factors of AZO film Made byMagnetron sputtering Method辛崇飞 何立山信义玻璃控股有限公司技术中心 广东东莞 523935摘 要 本文从磁控溅射原理、靶材与镀膜方式的选择等方面阐述了AZO 膜的制备方法，探讨了影响AZO 薄膜电学性能的因素及变化规律、AZO 薄膜的光学特征及其影响因素，对于AZO 薄膜商业化面临的问题给出了作者的看法。
Abstract The principle of magnetron sputtering, and coating methods of target selection and the AZO film preparation methods is introduced in the paper, the impact factors of electrical properties and optical characteristics of AZO films are discussed, the author’s ideas of factors to be faced with for the commercialization are given in the end. 关键词 磁控溅射 AZO 薄膜 电学性能 光学性能Key words magnetron sputtering; AZO film ;electrical properties; optical properties1 前言能源对全球经济发展和社会进步起着举足轻重的作用。
在石油、煤炭、天然气等化石能源日益枯竭、价格骤升的背景下，能源替代、由化石能源向可再生能源转变将是一个历史趋势。
太阳能由于其清洁、易获取的特性日益受到各国的青睐，其中的薄膜电池由于具有弱光响应好、成本低、对于能源的消耗低等优点，更是受到广泛的关注。
磁控溅射镍
磁控溅射是一种常用的物理气相沉积技术，可用于制备各种材料薄膜，包括镍。
在磁控溅射镍的过程中，需要关注设备选择、工艺参数设置、薄膜性能等方面。
首先，选择合适的磁控溅射设备是关键。
镍的磁控溅射可以在气体环境为氩气（Ar）的设备中进行。
要保证设备具有高溅射效率、良好的镀膜质量、稳定的工作性能和易于维护的特性。
同时，要注意设备内壁的洁净程度，以免影响溅射效果。
在工艺参数设置上，主要影响镍薄膜性能的因素包括溅射功率、基片温度、等离子体与靶材的结合时间等。
溅射功率会影响到薄膜的厚度和致密性。
基片温度则会影响到薄膜与基体的附着程度以及薄膜的内部结构。
为了得到性能良好的镍薄膜，通常建议设置溅射功率为30-50%，基片温度为20-60℃。
在磁控溅射过程中，需要确保靶材镍的纯度。
如果可能，最好使用真空度较高的环境进行操作，以便提高溅射的成功率。
同时，为了防止镍薄膜在空气中氧化，应尽快完成制备并对其进行处理。
镀膜完成后，可以通过观察薄膜的颜色、光泽度、表面光滑程度、是否有裂纹、颗粒度等现象来评估薄膜的性能。
镍薄膜通常呈现出银灰色，具有较好的光泽度，表面光滑，易于粘附在其他基板上。
同时，磁控溅射镍薄膜的附着力强，耐腐蚀性好，是一种应用广泛的镀膜材料。
总结起来，磁控溅射镍的过程需要注意选择合适的磁控溅射设备和工艺参数，确保溅射环境的高纯度和真空度，尽快完成镀膜并处理。
通过精心操作和适当的观察评估，可以获得性能良好的镍薄膜，广泛应用于各种领域。
请注意，以上内容仅供参考，实际操作中可能存在差异，建议请教有经验的人士以获得更准确的指导。
磁控溅射薄膜沉积速率的研究
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 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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。
气压及偏压对磁控溅射TaN薄膜力学性能影响
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟气压及偏压对磁控溅射TaN 薄膜力学性能影响采用电子回旋共振增强磁控溅射在不锈钢基体上制备六方相TaN 薄膜,并研究了气压及偏压对TaN 薄膜结构、力学性能的影响。
利用X 射线衍射、扫描电镜、原子力显微镜分析薄膜化学结构及形貌,利用纳米压痕、划痕实验仪对薄膜力学性能进行测定。
研究表明,制备气压上升影响六方TaN 相择优取向,气压、Ar/N2 流量比及偏压改变对TaN 薄膜力学性能有较大影响。
实验证明在1.1乘以10-1Pa,偏压100V 下制备的TaN 薄膜具有最高硬度32.4 GPa,最高结合力极限载荷27 N。
关键词：反应磁控溅射;TaN 薄膜;气压;偏压;力学性能TaN 薄膜由于其高硬度、高密度、高温化学稳定性以及良好的光电性能,一直以来受到人们关注。
目前TaN 薄膜的制备方式主要通过反应磁控溅射,离子束辅助沉积, 化学气相沉积等方法进行制备[ 1- 3] 。
近年来, TaN 薄膜在生物及集成电路阻扩散层技术方面展示出了较好的应用前景[ 4- 6] 。
TaN 薄膜的目前大量的工作主要集中在生物及集成电路阻扩散层技术方面, Jueng Bryner, V. R. K. Gorantla 等[ 5- 7]欧洲的研究者都制备了TaN 及Ta/TaN 薄膜并对其进行掺杂, 研究其对Cu 进行阻扩散的影响。
同时由于Ta 及其氮化物的高硬度及化学稳定性, 其力学机械性能也受到了人们的广泛关注。
Y. X.Leng, S. K. Kim, R.Westergard, Deok-kee Kim, Heon Lee 等[ 4, 8- 10] 通过反应磁控溅射等方式制备了TaN 薄膜并对其结合力及硬度同溅射工艺的关系进行了分析; 发现TaN 及Ta3N5 具有高的硬度及耐磨性并会随偏压发生改变; 薄膜中氮含量的增加导致Ta2N 相增加, 提高了薄膜硬度、内应力及耐蚀性, 同时也发现薄膜中氮含量增加提高了富氮热稳定相Ta4N5,Ta3N5。
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*国家自然科学基金资助项目(项目编号:50475133)
收稿日期:2007年1月
磁控溅射薄膜附着性能的影响因素*宋文龙 邓建新 赵金龙山东大学摘 要:磁控溅射薄膜技术的应用日趋广泛,溅射薄膜的附着性是制约薄膜性能和使用效果的关键因素。本文结合作者进行的研究,参考国内外参考资料和文献,对薄膜附着性的影响因素做了综合评述,为提高和改善薄膜使用性能提供指导和参考。关键词:磁控溅射, 薄膜, 附着性
EffectingFactoronAdhesionPerformanceofMagnetronSputteringThinFilmSongWenlong DengJianxin ZhaoJinlongAbstract:Theapplicationofthetechnologiesofmagnetronsputteringthinfilmsisverywidenow,andtheadhesionperfor-manceoffilmisanimportantfactortoaffectthequalityandapplicationresultofthefilm.Combiningthestudieshavingbeendonebythewriterwiththereferencesfromhomeandabroad,themainprocessparameterstoaffecttheadhesionofthefilmaresumma-rizedinthispaperandareferenceanddirectionforimprovingthepropertiesofthinfilmsisprovided.Keywords:magnetronsputtering, thinfilm, adhesion
1 引言近十几年来,以磁控溅射等技术为代表的薄膜制备技术发展迅速,已广泛地应用于光学、材料、半导体、电子技术等各个领域。与热蒸发和电弧镀等其它薄膜制备技术相比较,磁控溅射技术沉积薄膜时具有基体温度低、沉积速度快、可溅射非金属材料、可制备不同性能的薄膜等优点,其发展前景非常可观。采用磁控溅射技术沉积薄膜时,由于薄膜与基体材料的物性参数不同,薄膜/基体之间存在着附着性能差异的问题,而附着性能是制约薄膜使用效果和工作可靠性的关键因素。溅射工艺条件的不同,沉积的薄膜与基体的附着性能相差很大。此外,影响溅射薄膜附着性的主要因素还包括基体的预处理、薄膜和基体间材料的匹配等,研究这些因素对溅射薄膜附着性能的影响对于提高和改善薄膜使用性能有着重要的作用。 2 基体预处理的影响薄膜之所以能附着在基体上,是机械锁和、物理吸附、化学吸附和扩散结合等因素综合作用的结果[1]。基体表面如果不清洁,则薄膜和基体不能直接接触,影响薄膜沉积过程中正常的吸附及结合,会导致附着性能变差。因此需要对基体表面进行预处理。D.M.Mattox[2]等综述了表面吸附物对薄膜沉积过程的影响,认为基体表面吸附物对沉积过程的影响随沉积形式的不同而异。其中,物理吸附物影响薄膜的连续性,形成断续结合的薄膜/基体界面;化学吸附物则影响薄膜的形核和生长。而基体表面粗糙度对薄膜致密度也有影响:无论基体表面存在凹坑还是凸台,均会在薄膜中形成针孔,从而导致薄膜致密度下降。所以一般在沉积前要对基体进行机械抛光及严格的清洗(常用清洗剂为乙醇、丙酮等),除去氧化层及油污,并利用超声波清洗增强清洗效果。同时还辅以高能离子轰击基体表面排除表面吸附的气体及有机物,提高表面清洁度,改善薄膜形核率和生长状态,提高界面结合强度。文献[3]认为:对功能薄膜而言,采用离子轰击可能存在辐射损伤问题。而文献[2]、[4]指出,采用常规清洗方法只能去除物理吸附物,用湿法活化法(例如酸洗法和碱洗法)只能暂时或部分去除吸附物,而采用干法活化法(离子轰击)的效果最为理想。文献[5]采用磁控溅射技术在玻璃上沉积铬膜,得出随离子轰击时间的延长基体温度呈上升趋势的结论;发现如果不经原位离子轰击清洗,则基体沉积温度很低(<373K),附着性很差,当样品从真空室取出后,铬膜自动脱落;如果基体是经过原位氩气射频离子轰击后再进行溅射薄膜,则温度在373~473K之间薄膜不会自动脱落,并在温度达到473K时薄膜附着力极大提高;因此可以认为离子轰击基体消除了基体表面的不纯物并提高了显微硬度,但附着性
20工具技术能的提高也可能是由于离子轰击后在基体表面产生了很薄的等离子聚合体,产生的自由键使铬原子和玻璃原子生成牢固键合。在不同基体预处理状态下,中频磁控溅射高速钢基体所得到MoS2薄膜的附着性也不同。在不同预处理状态的高速钢基体上沉积MoS2(薄膜厚度为3Lm),工艺参数为:溅射系统的本底真空度为615@10-3Pa,溅射偏压为-200V,基体温度为200bC,工作气压为016Pa,工作气体为Ar,Ar气体纯度为99199%。用划痕法分别测试了薄膜的结合强度(见表1),发现随着基体的粗糙度变小,薄膜附着力并不是一直呈上升趋势(1号样附着力为20N,2号样为30N,3号样为29N);而离子轰击能够显著提高薄膜/基体的附着性(与2号样相比,4号样的膜)基结合力为38N)。表1 基体(高速钢)不同处理状态时的膜)基结合力对比样品号处理状态结合力(N)1500号砂纸磨光,乙醇、丙酮超声清洗15min,中频磁控溅射沉积MoS2薄膜。2022000号砂纸磨光,乙醇、丙酮超声清洗15min,中频磁控溅射沉积MoS2薄膜。3032000号砂纸磨光,机械抛光,乙醇、丙酮超声清洗15min,中频磁控溅射沉积MoS2薄膜。2942000号砂纸磨光,乙醇、丙酮超声清洗15min,膜沉积前离子轰击15min,中频磁控溅射沉积MoS2薄膜。38 3 沉积工艺参数的影响薄膜沉积过程的工艺参数是影响薄膜附着性的关键因素。沉积工艺参数很多,在实际试验中,影响较大的工艺参数主要有:真空室清洁程度、本底真空度、基体温度、溅射功率、溅射气体压力、靶材纯度等。对于一般的设备而言,真空室的清洁度及本底真空度是容易保证的[6]。311 基体表面温度的影响提高基体表面温度有利于薄膜和基体原子的相互扩散,加速化学反应,从而有利于形成扩散结合和化学键附着,使附着力增加。文献[7]分析了不同基体温度下在A3钢基体上沉积TiN薄膜的界面形貌(如图1所示)。基体温度为150e时(图1a),TiN膜的柱状晶生长方向分为上下两部分,中间变尖;基体温度为450e时(图1b),TiN膜的柱状晶生长方向呈贯穿状且笔直。因此可以得到基体温度对薄膜在界面处的形核和生长状态影响很大的结论。当基体温度较低时,由于形成膜的原子活性受到限制,长成尖状同时又形成枝叉的柱状晶。此时的柱状晶存在着经度方向的孔隙,不是完全致密的结构。而随着基体温度的升高,表面活性增加,柱状晶变得纤细,呈现出平行晶界且垂直于基体表面的发展趋势,此时孔隙减少,薄膜/基体结合力增强。
(a)150e (b)450e图1 不同基体温度下沉积TiN膜的断面形貌
值得注意的是:基体温度并非越高越好。基体温度过高会使薄膜晶粒粗大,薄膜中热应力增大,薄膜开裂及剥落倾向变大,从而降低薄膜的质量及使用性能。因此要综合考虑基体温度对薄膜结合力的影响,选择合适的基体温度,以获得性能良好的涂层。312 溅射功率的影响在一定的条件下,溅射功率的增加,会使放电载体如氩气的电离度提高,增加离子的密度,提高溅射速率,并使溅射出来的离子具有较高的能量,从而提高薄膜/基体的附着力及薄膜的致密度。相反,溅射功率太低,离子密度小,使得沉积速度慢且离子能量低,得到的薄膜结构疏松、膜层附着力差。在磁控溅射离子镀中,对工件施加高压可得到较宽的过渡层:如图2所示,当施加电压为750V时,尚没有过渡层(图2a),而当电压达1750V时,可得到厚度为4Lm左右的过渡层(图2b)。过渡层的存在对增加薄膜附着性是有好处的[8]。
(a) (b)图2 对工件施加不同高压时的电子探针分析
但是对溅射功率也存在优化选择的问题,并非溅射功率越大越有利于薄膜沉积。溅射功率的增高会使溅射离子动能大大增加,而过高的离子能量会
212007年第41卷l10产生较大的基底热效应,还会对薄膜造成损伤,导致薄膜质量下降。文献[9]指出:随着沉积功率增加,沉积速度反而下降(如图3所示)。这是因为溅射功率较大时,电离得到的离子具有很高的能量,离子打入靶材的深度增加,能量损失增加,使被溅射原子的逸出难度增加,导致靶材原子不易逸出、沉积速率降低。同时,由于溅射功率的增加,使溅射时产生的二次电子增多,对基体会产生一定的加热作用,使基体上沉积的基团挥发,也会降低沉积速率。图3 沉积速率随靶功率的变化曲线313 溅射气体纯度及压力的影响以常用的氩气为例。在氩气被电离成氩离子轰击阴极靶材表面的同时,有一部分氩离子混入溅射出的靶原子并沉积到基体表面。因此,如果氩气中杂质过多,膜层中将形成很多缺陷,从而使薄膜结构疏松,降低其表面力学性能,严重影响薄膜质量。氩气分压大小也是影响薄膜质量的重要因素。溅射压力较小时,溅射出来的原子和气体分子的碰撞次数减少,损失的能量较小,可以提高沉积原子与基体的扩散能力,从而提高薄膜的致密度和附着性;如果溅射气体的压力太小,则溅射靶材原子数目较少,将降低薄膜沉积速率,不能起辉或起辉不足。但若溅射气压过高,靶材原子与气体的碰撞次数增加,损失能量过多,将造成沉积基体的靶材原子能量过低,影响膜层的致密性和附着力。图4为采用中频磁控溅射技术在玻璃基体上沉积ZAO薄膜时氩气气压与沉积速率的关系曲线[10]。实际应用中要结合试验,综合考虑溅射气压的影响,选择合适的气体压力。图4 氮气压力对薄膜沉积速率的影响314 靶材的影响靶材纯度高,溅射出来的杂质粒子少,所得到的薄膜均匀性好,表面缺陷少,薄膜质量高。同时,靶材颗粒均匀细小,溅射时的速率快,得到的薄膜厚度均匀、附着性高,质量也好。
4 材料的选择
不同材料的薄膜/基体组合对附着性有重要的影响。薄膜与基体间的匹配性不好,如弹性模量或热膨胀系数差别过大、晶格常数失配,膜层内部会产生较高内应力而引起膜层过早脱落。设置参数合理的过渡层是克服膜/基间不匹配问题的有效方法,并能够显著降低薄膜内应力,有效提高膜层的附着性。因此,现有的各种PVD涂层工具商品的膜)基之间都设置了过渡层。文献[11]研究了多种PVD样品的膜/基界面情况,表明其间都有过渡层,且形式多种多样。这些界面过渡层的共同特点是以匹配性好或可以松弛应力的材料作为底层,然后逐渐过渡到最终成分。一般可以认为,薄膜/基体界面采用成分及结构渐变或过渡特点的多层过渡层,可以大大降低由于不匹配引起的内应力,并且可以阻止膜内裂纹沿层间扩展,从而提高膜层的力学性能[12]。