不同濺射方法薄膜制備的理論計算及特性研究.pdf

1、在常用的薄膜制備方法中，濺射沉積技術(shù)是重要的制備技術(shù)之一。該技術(shù)雖然應(yīng)用廣泛，但是目前制備出的電子薄膜還存在一些問題需要解決，如薄膜的均勻性、成分控制、通孔沉積、薄膜缺陷等。無論是薄膜制備的工藝成本還是工藝參數(shù)，都還有很多可以優(yōu)化的因素。本文從理論模型和實驗研究兩個方面，提出和驗證了直流磁控濺射、直流反應(yīng)濺射、高功率脈沖磁控濺射以及離子束濺射四種濺射工藝中優(yōu)化薄膜特性的具體方法，進行了一系列的探索性和創(chuàng)新性的工作，具體包括：
　　

2、1.在理論模型方面，建立公自轉(zhuǎn)磁控濺射系統(tǒng)的薄膜沉積模型，分別使用解析法和數(shù)值法兩種方法計算基片上各點的沉積時間分布，并得到基片上各點在公-自轉(zhuǎn)過程中的膜厚分布。最后計算膜厚均勻性的相對偏差，分析討論公轉(zhuǎn)（ωrev）與自轉(zhuǎn)（ωrot）轉(zhuǎn)速比ωrev/ωrot對膜厚均勻性的影響。此外，建立了傳統(tǒng)自轉(zhuǎn)磁控濺射系統(tǒng)的薄膜沉積模型。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，當ωrev/ωrot等于0.6時，膜厚均值相對偏差Gt可以達到0.0256；而傳統(tǒng)沉積模型所得的膜厚偏

3、差約為0.1936。實驗中使用最佳公-自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速比以及傳統(tǒng)自轉(zhuǎn)模式分別制備Ni-Cr金屬薄膜。發(fā)現(xiàn)公自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速比ωrev/ωrot等于0.6的時候，相對偏差為0.0224；純自轉(zhuǎn)系統(tǒng)薄膜厚度的相對偏差為0.1431。通過使用模型中計算的最佳公自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速比制備薄膜，膜厚均勻性得到提高。
　　2.通用的反應(yīng)濺射模型僅僅適用于單一組分化合物的情況，本文提出一種針對多組分化合物薄膜的反應(yīng)濺射模型，以氧化釩（VOx）為例，考慮了氧化釩薄膜中同時含

4、有VO和V2O5兩種價態(tài)化合物的因素。通過修正后的模型推導出濺射過程中薄膜沉積速率、不同組分含量與氣體流量的函數(shù)關(guān)系，并仿真了反應(yīng)濺射的滯回效應(yīng)曲線。此外，建立時間響應(yīng)模型，從中獲得預濺射和濺射兩個過程中靶電壓、靶面各成分含量隨時間的變化關(guān)系；對比實驗中監(jiān)控的靶電壓曲線，實驗與理論計算結(jié)果相吻合，由此驗證了理論模型。通過模型的計算，可以對反應(yīng)濺射氧化釩的工藝參數(shù)進行控制，減少反應(yīng)濺射的滯回效應(yīng)以及在一定程度上達到預測薄膜的組分的目的。<

5、br>　　3.針對于高功率脈沖磁控濺射（HIPIMS），設(shè)計了不同的磁場位形，主要包括閉合與非閉合磁場、不同磁場強度（“200G”，“500G”，“800G”）、不同跑道寬度(“500G”,“500G_Wide”）、“螺旋”結(jié)構(gòu)等。使用有限元分析軟件 COMSOL對不同磁場位形中的平行磁場強度：此處公式省略分別進行計算。實驗中，采用可調(diào)型磁極板分別搭建了所設(shè)計的幾種磁場位形。通過三探針法對不同磁場位形進行了等離子體診斷，得到電子溫度Te

6、，電子密度 ne以及等離子體懸浮電位Vf隨時間、空間的變化曲線。使用柵網(wǎng)式離子分析儀對沉積薄膜的金屬離化率進行了測量。研究表明，不同磁場位形直接影響了薄膜離化率以及等離子體的分布、擴散方向和擴散速度?！?00G”的位形中，等離子更傾向于向 Z方向擴散，而不容易進行平行于磁場方向的擴散。與之相反，“200G”位形中的等離子體容易向各個方向擴散。在磁場強度相同的情況下（500G），寬磁場跑道的位形（“500G_Wide”）由于具有更寬的刻蝕

7、面積而產(chǎn)生更高的放電電流和密度更高的等離子體。此外，設(shè)計了幾種非閉合磁場位形，通過對實驗中的放電特性曲線分析得知脈沖磁控濺射還是需要閉合的磁場來約束電子在跑道附近的運動。另外提出一種類似螺旋結(jié)構(gòu)的磁場位形，實驗證實該設(shè)計可以在放電電流不變（即濺射速率不變）的情況下，提高靶材的利用率。實驗中發(fā)現(xiàn)隨著脈沖電壓的增加，高密度的等離子體可以電離更多的金屬原子，從而得到更高的薄膜離化率。然而當磁場強度從200G增加到800G，離化率從60％降到3

8、0%左右。原因在于強磁場位形中，脈沖放電結(jié)束后仍然持續(xù)的強等離子體鞘層抑制了離子向基片方向的擴散。最后測量了不同磁場（“200G”、“500G”、“800G”）位形下MPP電源的薄膜離化率。通過比較HIPIMS、DC和MPP三種電源所制備薄膜的離化率大小，得到的結(jié)論是HIPIMS所制備薄膜的離化率遠遠高于其它兩種電源。
　　4.在離子束濺射的實驗中找到了極紫外（EUV）光刻技術(shù)中反射掩模Si-Mo多層膜中缺陷的產(chǎn)生原因。通過SEM

9、觀察靶面，發(fā)現(xiàn)一種類似于“小山丘”的凸起形貌。我們認為離子束濺射到凸起上會存在一定的概率將其濺射成小塊并飛向多層膜中形成缺陷。實驗方面，研究了Si和Ru兩種靶材，在不同濺射角度θ(0°,35°,54°,75°)時的靶面形貌。結(jié)果表明，該形貌與濺射角度的大小有直接關(guān)系。隨著角度的增加，“山丘”的長度增長。同時發(fā)現(xiàn)，Si靶面比Ru靶面更容易生成“山丘”形貌。實驗中將濺射角度在0°和54°之間交替變化，證實可以通過此法避免靶面圖案的形成。在理

10、論模型方面，使用Tridyn code和SRIM軟件，研究了濺射時被靶面反射出來的Ar+對多層薄膜的作用。還對Si和Ru兩種材料不同濺射角度（0°-90°）和濺射能量（50-1200eV）的濺射產(chǎn)額分別進行了計算。此外，使用2D和3D蒙特卡洛算法追蹤離子束濺射的迭加過程，仿真不同濺射角度的離子束濺射后兩種材料的靶面形貌圖，并得到SEM表征中觀察到的“山丘”形貌。該物理模型還對實驗中使用的0°和54°兩種角度交替濺射的情況進行了計算。最后