影响磁控溅射均匀性的因素
发布时间：2018-11-23
磁控溅射生成的薄膜厚度的均匀性是成膜性质的一项重要指标，因此有必要研究影响磁控溅射均匀性的因素，以更好的实现磁控溅射均匀镀膜。简单的说磁控溅射就是在正交的电磁场中，闭合的磁场束缚电子围绕靶面做螺线运动，在运动过程中不断撞击工作气体氩气电离出大量的氩离子，氩离子在电场作用下加速轰击靶材，溅射出呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。所以要实现均匀的镀膜，就需要均匀的溅射出靶原子（或分子），这就要求轰击靶材的氩离子是均匀的且是均匀的轰击的。由于氩离子在电场作用下加速轰击靶材，所以均匀轰击很大程度上依赖电场的均匀。而氩离子来源于被闭合的磁场束缚的电子在运动中不断撞击的工作气体氩气，这就要求磁场均匀和工作气体氩气均匀。但是实际的磁控溅射装置中，这些因素都是不均匀的，这就有必要研究他们不均匀对成膜均匀性的影响。
磁场不均匀的影响
由于实际的磁控溅射装置中电场和磁场不是处处均匀的，也不是处处正交的，都是空间的函数。写出的三维运动方程表达式是不可解的，至少没有初等函数的解。所以磁场的不均匀性对离子的影响，也即对成膜不均匀性的影响是难以计算的，最好的方法就是配合实验具体分析。图1是用中频孪生靶柔性卷绕磁控溅射镀膜装置实验得出的靶磁场均匀性和成膜厚度均匀性的对应关系。
图1中，磁场的均匀性计算方法为（Bi—Ba）/Ba，其中Bi为实际测量的靶的长度方向各点沿靶的宽度方向的磁场，Ba为实际测量的所有Bi平均；薄膜的厚度相对偏差由公式(kdi-kda)/kda计算，其中k为膜层对波长550nm的光的吸收系数，di分别为不同点的厚度，da为所有di的平均厚度。kdi由公式T=T0(1-R)exp(-kdi)计算，其中，T为样品对波长550nm的光的透光率，T0为PET聚酯基材对波长550nm的光的透光率，R为钛薄膜和基材接触界面对波长550nm的光的反射率,可以认为和钛薄膜和空气界面的反射率相等。T、T0、R由岛津的UV-3600分光光度计测量。
从图中可以看出，磁场和成膜的相对偏差有大致的对应关系，磁场强的位置，膜相对比较厚，反之就较薄。但是这种对应关系却是不严格的。第一，磁场均匀性波动比较频繁，膜厚均匀性波动较少；第二，不均匀性大小也没有确切的比例关系；第三，有的位置磁场大小和膜的厚薄甚至相反。
产生磁场强的位置，膜相对比较厚，反之就较薄的现象很容易理解。因为在磁场强的地方，束缚的电子多，激发的离子就多，当然被溅射出的靶材就多，膜就厚，反之则相反。产生第一种现象的原因是靶面上的每个点都对应基材上的一个面，即，从靶面上的一个点上被溅射出的原子(或分子)，不是被对应的镀到基材上的某一个点上，而是以一定的几率被镀到基材上的一个小面内的任意一点儿上。反过来，基材上某处被镀上的膜，是靶上的一个小面共同作用的结果。这样，相近靶磁场的叠加作用对镀膜起作用，很多距离很近的靶磁场的波动被叠加后当然就显示不出来了。
解释第二、第三种现象就要用到磁镜理论了。理想情况下，磁镜只存在于靶的宽度方向，靶的长度方向是没有磁场分量的，也就没有磁镜。但是，实际情况下，靶的长度方向也存在磁场，存在磁镜，这就使得电子沿着靶的长度方向运动不再顺畅。在某些位置，由于磁镜的阻挡电子会比较多，相反一些位置会由于磁镜的阻挡电子比较少。这样就导致一些位置膜较厚一些位置膜较薄，形成膜厚不均匀。而这些靶的长度方向的磁镜，主要在靶的宽度方向磁场变化比较大的位置，例如图中100cm附近，大约在95cm到100cm之间，靶的宽度方向磁场变化较大，靶的长度方向磁场分量不为零且存在梯度，这样就形成了磁镜阻挡部分电子穿过此区域到达100cm以后的位置。同样的，在100cm到130cm之间，靶的长度方向也存在磁场且有梯度，这样，在此区域电子会受到力的作用被排斥，此区域电子就急剧减少，所以溅射速率也急剧减小，膜层就很快变薄。总的来说，靶的宽度方向磁场束缚电子，靶的长度方向也会有一定的磁场对电子有作用力。所以总的效果是，膜厚大体上和靶的宽度方向磁场对应，但又不是完全对应。
气体不均匀性的影响
一般来说气体不均匀可以由两种情况产生，一种是送气不均匀，另一种就是抽气不均匀。
图2是均匀抽气不同送气方式下膜厚的变化情况：
其2中，铜管送气是气体从铜管的一端进入，从铜管上均匀开的多个小孔流出进入真空室，由于从进气端到末端气体被小孔流出形成压强渐小，小孔流出的气体也逐渐减少，形成不均匀送气；二进制送气是将气体均匀的一路分为二路，二路均分为四路，如此均分为多路后送入真空室，可认为是均匀送气。观察对比图中曲线可知二进制送气情况下，影响膜厚不均匀的主要是磁场，铜管送气的情况下，膜厚的分布，在磁场影响的基础上，叠加了一个斜率。这个斜率，正好和铜管送气产生的压强梯度相符。压强大的地方，膜较厚，相反较薄。根据形成不均匀送气的原理可以推知，膜层厚度的变化斜率可能和小孔的密度，大小和送气压力有关，基本关系大概是和小孔密度、大小成正比，和送气压力成反比。
图3是均匀送气不同抽气情况下膜厚的变化情况：
其中，正常抽气情况指的是真空室内的孪生靶两端对称抽气，可认为是均匀抽气；而前分子泵关和后分子泵关则是一端抽气，属于不均匀抽气。由于都是均匀送气不均匀抽气，真空室内的气体就不均匀了。很显然前分子泵关只开后分子泵时，气压从前到后逐渐减小，而后分子泵关只开前分子泵时，气压从后到前逐渐减小。实验得到的膜厚考虑磁场的影响后也正与气压变化相符。
另外还可以发现，某些位置本来受磁场的影响均匀性较差，但是加上抽气引起的气体不均匀影响后，均匀性反而变好了。这就给我们一个启示，也许可以通过特意使气体在某处有特定的不均匀来补偿磁铁不均匀产生的影响。
靶基距、气压的影响
靶基距也是影响磁控溅射薄膜厚度均匀性的重要工艺参数，薄膜厚度均匀性在一定范围内随着靶基距的增大有提高的趋势，溅射工作气压也是影响薄膜厚度均匀性重要因素。但是，这种均匀是在小范围内的，因为增大靶基距产生的均匀性是增加靶上的一点对应的基材上的面积产生的，而增加工作气压是由于增加粒子散射产生的，显然，这些因素只能在小面积范围内起作用。
结论：
磁场的均匀性和工作气体的均匀性是影响成膜均匀性的主要因素。磁场大的位置膜厚，反之膜薄，靶的长度方向的磁场分量也会对镀膜厚度均匀性产生影响；气压大的位置膜厚，反之膜薄。由于磁场不可能绝对理想，那么就存在不均匀，而膜层厚度和气压的关系使调节气压不均匀来补偿磁场不均匀成为可能。另外，还可以配合调整靶基距和工作气体压强的方法在一定程度上使膜层均匀。
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