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影響磁控濺射均勻性的因素
發(fā)布時(shí)間：2018-11-23
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。簡單的說磁控濺射就是在正交的電磁場中，閉合的磁場束縛電子圍繞靶面做螺線運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中不斷撞擊工作氣體氬氣電離出大量的氬離子，氬離子在電場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氬離子是均勻的且是均勻的轟擊的。由于氬離子在電場作用下加速轟擊靶材，所以均勻轟擊很大程度上依賴電場的均勻。而氬離子來源于被閉合的磁場束縛的電子在運(yùn)動(dòng)中不斷撞擊的工作氣體氬氣，這就要求磁場均勻和工作氣體氬氣均勻。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?/div>
磁場不均勻的影響
由于實(shí)際的磁控濺射裝置中電場和磁場不是處處均勻的，也不是處處正交的，都是空間的函數(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。所以磁場的不均勻性對離子的影響，也即對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是用中頻孿生靶柔性卷繞磁控濺射鍍膜裝置實(shí)驗(yàn)得出的靶磁場均勻性和成膜厚度均勻性的對應(yīng)關(guān)系。
圖1中，磁場的均勻性計(jì)算方法為（Bi—Ba）/Ba，其中Bi為實(shí)際測量的靶的長度方向各點(diǎn)沿靶的寬度方向的磁場，Ba為實(shí)際測量的所有Bi平均；薄膜的厚度相對偏差由公式(kdi-kda)/kda計(jì)算，其中k為膜層對波長550nm的光的吸收系數(shù)，di分別為不同點(diǎn)的厚度，da為所有di的平均厚度。kdi由公式T=T0(1-R)exp(-kdi)計(jì)算，其中，T為樣品對波長550nm的光的透光率，T0為PET聚酯基材對波長550nm的光的透光率，R為鈦薄膜和基材接觸界面對波長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、T0、R由島津的UV-3600分光光度計(jì)測量。
從圖中可以看出，磁場和成膜的相對偏差有大致的對應(yīng)關(guān)系，磁場強(qiáng)的位置，膜相對比較厚，反之就較薄。但是這種對應(yīng)關(guān)系卻是不嚴(yán)格的。第一，磁場均勻性波動(dòng)比較頻繁，膜厚均勻性波動(dòng)較少；第二，不均勻性大小也沒有確切的比例關(guān)系；第三，有的位置磁場大小和膜的厚薄甚至相反。
產(chǎn)生磁場強(qiáng)的位置，膜相對比較厚，反之就較薄的現(xiàn)象很容易理解。因?yàn)樵诖艌鰪?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。反過來，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，相近靶磁場的疊加作用對鍍膜起作用，很多距離很近的靶磁場的波動(dòng)被疊加后當(dāng)然就顯示不出來了。
解釋第二、第三種現(xiàn)象就要用到磁鏡理論了。理想情況下，磁鏡只存在于靶的寬度方向，靶的長度方向是沒有磁場分量的，也就沒有磁鏡。但是，實(shí)際情況下，靶的長度方向也存在磁場，存在磁鏡，這就使得電子沿著靶的長度方向運(yùn)動(dòng)不再順暢。在某些位置，由于磁鏡的阻擋電子會(huì)比較多，相反一些位置會(huì)由于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。而這些靶的長度方向的磁鏡，主要在靶的寬度方向磁場變化比較大的位置，例如圖中100cm附近，大約在95cm到100cm之間，靶的寬度方向磁場變化較大，靶的長度方向磁場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，靶的長度方向也存在磁場且有梯度，這樣，在此區(qū)域電子會(huì)受到力的作用被排斥，此區(qū)域電子就急劇減少，所以濺射速率也急劇減小，膜層就很快變薄。總的來說，靶的寬度方向磁場束縛電子，靶的長度方向也會(huì)有一定的磁場對電子有作用力。所以總的效果是，膜厚大體上和靶的寬度方向磁場對應(yīng)，但又不是完全對應(yīng)。
氣體不均勻性的影響
一般來說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，從銅管上均勻開的多個(gè)小孔流出進(jìn)入真空室，由于從進(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)為是均勻送氣。觀察對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，銅管送氣的情況下，膜厚的分布，在磁場影響的基礎(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：
其中，正常抽氣情況指的是真空室內(nèi)的孿生靶兩端對稱抽氣，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，屬于不均勻抽氣。由于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)，某些位置本來受磁場的影響均勻性較差，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，也許可以通過特意使氣體在某處有特定的不均勻來補(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，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)樵龃蟀谢喈a(chǎn)生的均勻性是增加靶上的一點(diǎn)對應(yīng)的基材上的面積產(chǎn)生的，而增加工作氣壓是由于增加粒子散射產(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。磁場大的位置膜厚，反之膜薄，靶的長度方向的磁場分量也會(huì)對鍍膜厚度均勻性產(chǎn)生影響；氣壓大的位置膜厚，反之膜薄。由于磁場不可能絕對理想，那么就存在不均勻，而膜層厚度和氣壓的關(guān)系使調(diào)節(jié)氣壓不均勻來補(bǔ)償磁場不均勻成為可能。另外，還可以配合調(diào)整靶基距和工作氣體壓強(qiáng)的方法在一定程度上使膜層均勻。
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