不同濺射方法薄膜制備的理論計(jì)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(wèn)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(wú)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(shí)驗(yàn)研究?jī)蓚€(gè)方面，提出和驗(yàn)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(jìn)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(jì)算基片上各點(diǎn)的沉積時(shí)間分布，并得到基片上各點(diǎn)在公-自轉(zhuǎn)過(guò)程中的膜厚分布。最后計(jì)算膜厚均勻性的相對(duì)偏差，分析討論公轉(zhuǎn)（ωrev）與自轉(zhuǎn)（ωrot）轉(zhuǎn)速比ωrev/ωrot對(duì)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(dāng)ωrev/ωrot等于0.6時(shí)，膜厚均值相對(duì)偏差Gt可以達(dá)到0.0256；而傳統(tǒng)沉積模型所得的膜厚偏

3、差約為0.1936。實(shí)驗(yàn)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(shí)候，相對(duì)偏差為0.0224；純自轉(zhuǎn)系統(tǒng)薄膜厚度的相對(duì)偏差為0.1431。通過(guò)使用模型中計(jì)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(duì)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(shí)含

4、有VO和V2O5兩種價(jià)態(tài)化合物的因素。通過(guò)修正后的模型推導(dǎo)出濺射過(guò)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(shí)間響應(yīng)模型，從中獲得預(yù)濺射和濺射兩個(gè)過(guò)程中靶電壓、靶面各成分含量隨時(shí)間的變化關(guān)系；對(duì)比實(shí)驗(yàn)中監(jiān)控的靶電壓曲線，實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算結(jié)果相吻合，由此驗(yàn)證了理論模型。通過(guò)模型的計(jì)算，可以對(duì)反應(yīng)濺射氧化釩的工藝參數(shù)進(jìn)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(dá)到預(yù)測(cè)薄膜的組分的目的。<

5、br>　　3.針對(duì)于高功率脈沖磁控濺射（HIPIMS），設(shè)計(jì)了不同的磁場(chǎng)位形，主要包括閉合與非閉合磁場(chǎng)、不同磁場(chǎng)強(qiáng)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(duì)不同磁場(chǎng)位形中的平行磁場(chǎng)強(qiáng)度：此處公式省略分別進(jìn)行計(jì)算。實(shí)驗(yàn)中，采用可調(diào)型磁極板分別搭建了所設(shè)計(jì)的幾種磁場(chǎng)位形。通過(guò)三探針?lè)▽?duì)不同磁場(chǎng)位形進(jìn)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(shí)間、空間的變化曲線。使用柵網(wǎng)式離子分析儀對(duì)沉積薄膜的金屬離化率進(jìn)行了測(cè)量。研究表明，不同磁場(chǎng)位形直接影響了薄膜離化率以及等離子體的分布、擴(kuò)散方向和擴(kuò)散速度。“800G”的位形中，等離子更傾向于向 Z方向擴(kuò)散，而不容易進(jìn)行平行于磁場(chǎng)方向的擴(kuò)散。與之相反，“200G”位形中的等離子體容易向各個(gè)方向擴(kuò)散。在磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的情況下（500G），寬磁場(chǎng)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(jì)了幾種非閉合磁場(chǎng)位形，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)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(chǎng)來(lái)約束電子在跑道附近的運(yùn)動(dòng)。另外提出一種類似螺旋結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)位形，實(shí)驗(yàn)證實(shí)該設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度從200G增加到800G，離化率從60％降到3

8、0%左右。原因在于強(qiáng)磁場(chǎng)位形中，脈沖放電結(jié)束后仍然持續(xù)的強(qiáng)等離子體鞘層抑制了離子向基片方向的擴(kuò)散。最后測(cè)量了不同磁場(chǎng)（“200G”、“500G”、“800G”）位形下MPP電源的薄膜離化率。通過(guò)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它兩種電源。
　　4.在離子束濺射的實(shí)驗(yàn)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(guò)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(rèn)為離子束濺射到凸起上會(huì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(zhǎng)度增長(zhǎng)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，Si靶面比Ru靶面更容易生成“山丘”形貌。實(shí)驗(yàn)中將濺射角度在0°和54°之間交替變化，證實(shí)可以通過(guò)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(shí)被靶面反射出來(lái)的Ar+對(duì)多層薄膜的作用。還對(duì)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(jìn)行了計(jì)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(guò)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(duì)實(shí)驗(yàn)中使用的0°和54°兩種角度交替濺射的情況進(jìn)行了計(jì)算。最后