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不同溅射气压制备W／Si多层膜的实时应力研究
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光 学 仪 器
不同溅射气压制备
多层膜的实时应力研究
张一志 冀 斌 叶天明 陈进文 朱京涛 吴文娟
同济大学物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室上海
上海应用技术学院理学院上海
摘要研究了不同溅射气压条件下磁控溅射制备
多层膜过程中的应力变化使用 射线
衍射仪测量了多层膜的结构使用实时应力测量装置研究
多层膜沉积过程中的应力演变
结果表明在溅射气压从
的过程中薄膜沉积过程中产生的压应力不断
减小并最终过渡为张应力应力值在溅射气压为
时最小研究结果对减小膜层应力具有
关键词应力多层膜磁控溅射溅射气压
中图分类号
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真空磁控溅射技术
真空磁控溅射技术是指一种利用阴极表面配合的磁场形成，使在E×B的作用下电子紧贴阴极表面飘移。设置一个与靶面电场正交的磁场，溅射时产生的快电子在正交的电磁场中作近似摆线运动，增加了电子行程，提高了气体的离化率，同时高能量粒子与气体碰撞后失去能量，基体温度较低，在不耐温材料上可以完成镀膜。这种技术是目前玻璃膜技术中的最尖端技术，是由航天工业、兵器工业、和核工业三个方面相结合的顶尖技术的民用化，目前民用主要是通过这种技术达到节能、环保等作用。
真空磁控溅射技术原理
溅射镀膜的原理是稀薄气体在异常辉光放电产生的等离子体在电场的作用下，对阴极靶材表面进行轰击，把靶材表面的分子、原子、离子及电子等溅射出来，被溅射出来的粒子带有一定的动能，沿一定的方向射向基体表面，在基体表面形成镀层。
镀膜最初出现的是简单的直流二极溅射，它的优点是装置简单，但是直流二极溅射沉积速率低；为了保持自持放电，不能在低气压（&0.1 Pa）下进行；不能溅射绝缘材料等缺点限制了其应用。在直流二极溅射装置中增加一个热阴极和辅助阳极，就构成直流三极溅射。增加的热阴极和辅助阳极产生的热电子增强了溅射气体原子的电离，这样使溅射即使在低气压下也能进行;另外，还可降低溅射电压，使溅射在低气压，低电压状态下进行;同时放电电流也增大，并可独立控制，不受电压影响。在热阴极的前面增加一个电极（栅网状），构成四极溅射装置，可使放电趋于稳定。但是这些装置难以获得浓度较高的等离子体区，沉积速度较低，因而未获得广泛的工业应用。[1]
真空磁控溅射技术特点
磁控溅射是由二极溅射基础上发展而来，在靶材表面建立与电场正交磁场，解决了二极溅射沉积速率低，等离子体离化率低等问题，成为目前镀膜工业主要方法之一。磁控溅射与其它镀膜技术相比具有如下特点：可制备成靶的材料广，几乎所有金属，合金和陶瓷材料都可以制成靶材；在适当条件下多元靶材共溅射方式，可沉积配比精确恒定的合金；在溅射的放电气氛中加入氧、氮或其它活性气体，可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜；通过精确地控制溅射镀膜过程，容易获得均匀的高精度的膜厚；通过离子溅射靶材料物质由固态直接转变为等离子态，溅射靶的安装不受限制，适合于大容积镀膜室多靶布置设计；溅射镀膜速度快，膜层致密，附着性好等特点，很适合于大批量，高效率工业生产。[1]
真空磁控溅射技术分类
真空磁控溅射技术平面磁控溅射
平衡平面溅射是最常用的平面靶磁控溅射，磁力线有闭合回路且与阴极平行，即在阴极表面构成一个正交的电磁场环形区域。等离子体被束缚在靶表面距离靶面大约60cm的区域，通常在基片上加负偏压来改善膜与基体的结合能力；非平衡平面磁控溅射为了将等离子区域扩展，利用磁体摆放方式的调整，可以方便的获得不同的非平衡磁控源。
真空磁控溅射技术圆柱磁控溅射沉积技术
利用圆柱形磁控阴极实现溅射的技术磁控源是关键部分，阴极在中心位置的叫磁控源；阳极在中心位置的叫反磁控源。
特殊溅射沉积技术：以上面几种做基础，为达到某些特殊目的而产生的溅射技术。
1、反应溅射：可分为两类，第一种情况是靶为纯金属、合金或混合物，通入的气体是反应气体，或Ar加上一部分反应气体；第二种情况是靶为化合物，在纯氩气气氛中溅射产生分解，使膜内缺少一种或多种靶成分，在溅射时需要补充反应气体以补偿损失的成分。常用的反应气体有氧、氮、氧+氮（空气）、乙炔、甲烷等。
1）反应过程，反应发生在表面--靶或基体上，活性气体也可以形成活性基团，溅射原子与活性基团碰撞也会形成化合物沉积在基体上。
当通入的反应气体压强很低，或靶的溅射产额很高时化合物的合成发生在基体上，而且化合物的成分取决于溅射粒子和反应气体到达基体的相对速度，这种条件下，靶面的化学反应消失或者是化合物分解的速度远大于合成的速度；当气体压强继续升高，或溅射产额降低时化合反应达到某个域值，此后在靶上的化学合成速度大于逸出速度，认为化合物在靶面进行。
2）反应溅射参数与生成物性能的关系：在纯Ar状态下溅射沉积的时纯铝膜，当氮气被引入真空室后，靶面发生变化，随氮气的量不断上升，填充因子下降，膜内AlN含量上升，膜的介质性提高，方块电阻增加，当氮气达到某一值时，沉积膜就是纯的AlN。同时电流不变的条件下，电压下降，沉积速率降低。
根据膜的导电性的高低可定性的将反应溅射过程分为两种模式--金属模式和化合物模式，介乎两者之间是过渡区。一般认为膜的方块电阻在1000之下是金属模式，大于几M为化合物模式。
由于反应气体量的增加，靶面上会形成一层化合物，薄膜成分变化的同时沉积速率下降当气体量按原来增加量减少时，放电曲线及沉积速率都出现滞后现象。[2]
真空磁控溅射技术方法
真空磁控溅射技术平衡磁控溅射
平衡磁控溅射即传统的磁控溅射，是在阴极靶材背后放置芯部与外环磁场强度相等或相近的永磁体或电磁线圈，在靶材表面形成与电场方向垂直的磁场。沉积室充入一定量的工作气体，通常为Ar，在高压作用下Ar 原了电离成为Ar+离子和电子，产生辉光放电，Ar+ 离子经电场加速轰击靶材，溅射出靶材原子、离子和二次电子等。电子在相互垂直的电磁场的作用下，以摆线方式运动，被束缚在靶材表面，延长了其在等离子体中的运动轨迹，增加其参与气体分子碰撞和电离的过程，电离出更多的离子，提高了气体的离化率，在较低的气体压力下也可维持放电，因而磁控溅射既降低溅射过程中的气体压力，也同时提高了溅射的效率和沉积速率。
但平衡磁控溅射也有不足之处，例如：由于磁场作用，辉光放电产生的电子和溅射出的二次电子被平行磁场紧紧地约束在靶面附近，等离子体区被强烈地束缚在靶面大约60 mm 的区域，随着离开靶面距离的增大，等离子浓度迅速降低，这时只能把工件安放在磁控靶表面50～100 mm的范围内，以增强离子轰击的效果。这样短的有效镀膜区限制了待镀工件的几何尺寸，不适于较大的工件或装炉量，制约了磁控溅射技术的应用。且在平衡磁控溅射时，飞出的靶材粒子能量较低，膜基结合强度较差，低能量的沉积原子在基体表面迁移率低，易生成多孔粗糙的柱状结构薄膜。提高被镀工件的温度固然可以改善膜层的结构和性能，但是在很多的情况下，工件材料本身不能承受所需的高温。[3]
非平衡磁控溅射的出现部分克服了以上缺点，将阴极靶面的等离子体引到溅射靶前200～300 mm 的范围内，使基体沉浸在等离子体中，如图所示。这样，一方面，溅射出来的原子和粒子沉积在基体表面形成薄膜，另一方面，等离子体以一定的能量轰击基体，起到离子束辅助沉积的作用，大大的改善了膜层的质量。
真空磁控溅射技术非平衡磁控溅射
1985 年，Window 和Savvides [5, 6]首先引入了非平衡磁控溅射的概念。不久，多种不同形式的非平衡磁场设计相继出现，磁场有边缘强，也有中部强，导致溅射靶表面磁场的“非平衡”。磁控溅射靶的非平衡磁场不仅有通过改变内外磁体的大小和强度的永磁体获得，也有由两组电磁线圈产生，或采用电磁线圈与永磁体混合结构，还有在阴极和基体之间增加附加的螺线管，用来改变阴极和基体之间的磁场，并以它来控制沉积过程中离子和原子的比例。
非平衡溅射系统有两种结构，一种是其芯部磁场强度比外环高，磁力线没有闭合，被引向真空室壁，基体表面的等离子体密度低，因此该方式很少被采用。另一种是外环磁场强度高于芯部磁场强度，磁力线没有完全形成闭合回路，部分外环的磁力线延伸到基体表面，使得部分二次电子能够沿着磁力线逃逸出靶材表面区域，同时再与中性粒子发生碰撞电离，等离子体不再被完全限制在靶材表面区域，而是能够到达基体表面，进一步增加镀膜区域的离子浓度，使衬底离子束流密度提高，通常可达5 mA/cm2 以上。这样溅射源同时又是轰击基体表面的离子源，基体离子束流密度与靶材电流密度成正比，靶材电流密度提高，沉积速率提高，同时基体离子束流密度提高，对沉积膜层表面起到一定的轰击作用。[4]
非平衡磁控溅射离子轰击在镀膜前可以起到清洗工件的氧化层和其他杂质，活化工件表面的作用，同时在工件表面上形成伪扩散层，有助于提高膜层与工件表面之间的结合力。在镀膜过程中，载能的带电粒子轰击作用可达到膜层的改性目的。比如，离子轰击倾向于从膜层上剥离结合较松散的和凸出部位的粒子，切断膜层结晶态或凝聚态的优势生长，从而生更致密，结合力更强，更均匀的膜层，并可以较低的温度下镀出性能优良的镀层。
非平衡磁控溅射技术的运用，使平衡磁控溅射遇到的沉积致密、成分复杂薄膜的问题得以解决，然而单独的非平衡磁控靶在复杂基体上较难沉积出均匀的薄膜，而且在电子飞向基体的过程中，随着磁场强度的减弱，一部分电子吸附到真空室壁上，导致电子和离子的浓度下降。对此研究人员开发出多靶非平衡磁控溅射系统，以弥补单靶非平衡磁控溅射的不足。多靶非平衡磁控溅射系统根据磁场的分布方式可以分为相邻磁极相反的闭合磁场非平衡磁控溅射和相邻磁极相同的镜像磁场非平衡磁控溅射，如图所示（a）为双靶闭合磁场，（b）为双靶镜像磁场。
比较闭合磁场非平衡靶对和镜像靶对的磁场分布情况，可以看出在靶材表面附近磁场差别不大，内外磁极之间横向磁场对电子的约束形成一个电离度很高的等离子体阴极区，在此区域内的正离子对靶面的强烈溅射刻蚀，溅射出大量靶材粒子飞向基体表面。在内部和外环磁极的位置，特别是较强的外环磁极处，以纵向磁场为主，成为二次电子逃离靶面的主要通道，进而成为向镀膜区域输送带电粒子的主要通道。再比较闭合磁场和镜像磁场在镀膜区域内磁场分布，差别就大了，对于镜像靶对，由于两个靶磁场的相互排斥，纵向磁场都被迫向镀膜区外（真空室壁）弯曲，电子被引导到真空室壁上流失，总体上降低了电子进而离子的数量。由于镜像磁场方式不能有效地束缚电子，因而等离子体的溅射效率未有得到提高。而闭合磁场非平衡靶对在镀膜区域的纵向磁场是闭合的。只要足够，电子就只能在镀膜区域和两个靶之间运动，避免了电子的损失，从而增加了镀膜区域的离子浓度，大幅度提高了溅射效率。
真空磁控溅射技术存在问题
1）靶的污染：靶表面形成了非导电的化合物或者导电很差的化合物之后，除了放电电压及沉积速率变化之外，还会因为靶面状况的动态变化引起膜成分及结构的变化；
2）阳极消失：当阳极上化合物沉积到一定厚度时就中断了电荷传导的通路，造成电荷不断积累，最终阳极失去作用，辉光放电不稳定，沉积的膜层性能不一致。因此经常清理阳极是必要的；
3）极间打火：随阴阳极覆盖化合物，导电性能变差或丧失使电子积累。若要维持辉光放电，必须提高外加电压，结果造成阴极表面化合物的击穿，形成弧光放电。严重的影响溅射过程的稳定性，并造成膜的缺陷。最有效的解决方法是改变放电模式，采用交流及脉冲溅射。
2、中频溅射及脉冲溅射:在靶上加一个交变电压，当工作在负电压阶段时，靶被溅射；工作在正电压阶段时，中和靶面积累的正电荷，这就是交流溅射技术。电压波形是非对称的矩形波的溅射方法称为脉冲溅射；电压波形是对称的方波或正弦波称交流溅射。在一个给定电场强度下，频率越高，溅射产额越低。实验发现在频率为60kHz、80kHz、500kHz和13.5MHz时的溅射产额分别为直流溅射时的100%、85%、70%和55%，通常取10--80kHz。因此也称交流溅射为中频溅射。
中频溅射常用于孪生靶，也叫对靶是近乎完全相同的两个靶相对而立，各自与电源的两个极相连，并与真空室处于悬浮状态。在溅射过程中，两个靶周期性的交替作为阴极和阳极处于低电位的靶吸引正离子产生溅射，处于高电位的另一个靶吸引电子中和靶面积累的正离子，抑制了溅射时的打火现象，同时消除了“阳极消失”现象。[2]
真空磁控溅射技术中频孪生靶溅射技术优点
1）有高的沉积速率。中频溅射时靶功率密度是直流时的三倍情况下可以得到十倍的沉积速率；
2）膜内缺陷低。由于消除了打火现象膜内缺陷比直流溅射时低几个数量级；
3）膜内应力低，与基体结合力强。由于中频溅射时到达基体的原子能量高于直流溅射，因此沉积时基体温升高，形成的膜较致密；
4）连接简单。中频溅射时电源与靶的连接比射频（13.56MHz)溅射容易，后者需要复杂的阻抗匹配。
脉冲磁控溅射是采用脉冲电源或者直流电源与脉冲生成装置配合，输出脉冲电流驱动磁控溅射沉积。一般使用矩形波电压，既容易获得又有利于研究溅射放电等离子体的变化过程。工作模式与中频溅射。
民用玻璃膜技术中的真空磁控溅射技术,主要是用于玻璃膜中的金属层,能够达到高清晰,并且是从原子级别进行重新排列和组合,而真正的金属膜是没有彩色的,有的就算金属原色,像银色\灰色等等,
金属膜能够使得节能方面节约30%左右，所以，不管是建筑膜还是汽车膜方面，请大家可以好好了解一下，了解一下真空磁控溅射技术！大师玻璃膜等是这种技术，而国内的厂商只有西南物理研究科学院掌握了这一技术。[1]
真空磁控溅射技术新发展
随着工业的需求和表面技术的发展，新型磁控溅射如高速溅射、自溅射等成为目前磁控溅射领域新的发展趋势。高速溅射能够得到大约几个μm/min 的高速率沉积，可以缩短溅射镀膜的时间，提高工业生产的效率；有可能替代目前对环境有污染的电镀工艺。当溅射率非常高，以至于在完全没有惰性气体的情况下也能维持放电，即是仅用离化的被溅射材料的蒸汽来维持放电，这种磁控溅射被称为自溅射。被溅射材料的离子化以及减少甚至取消惰性气体，会明显地影响薄膜形成的机制，加强沉积薄膜过程中合金化和化合物形成中的化学反应。由此可能制备出新的薄膜材料，发展新的溅射技术，例如在深孔底部自溅射沉积薄膜。
高速溅射本质特点是产生大量的溅射粒子，导致较高的沉积速率。最近实验表明在最大的靶源密度在高速溅射，的溅射和局部蒸发同时发生，两种过程的结合保证了最大的沉积速率（几μm/min）并导致薄膜的结构发生变化。与通常的磁控溅射比较，高速溅射和自溅射的特点在于较高的靶功率密度Wt = Pd / S&50 Wcm- 2，（Pd 为磁控靶功率，S 为靶表面积）。高速溅射有一定的限制，因此在特殊的环境才能保持高速溅射，如足够高的靶源密度，靶材足够的产额和溅射气体压力，并且要获得最大气体的离化率。最大限制高速沉积薄膜的是溅射靶的冷却。
高速率磁控溅射的一个固有的性质是产生大量的溅射粒子而获得高的薄膜沉积速率。高的沉积速率意味着高的粒子流飞向基片，导致沉积过程中大量粒子的能量被转移到生长薄膜上，引起沉积温度明显增加。由于溅射离子的能量大约70%需要从阴极冷却水中带走，薄膜的最大溅射速率将受到溅射靶冷却的限制。冷却不但靠足够的冷却水循环，还要求良好的靶材导热率及较薄膜的靶厚度。同时高速率磁控溅射中典型的靶材利用率只有20%～30%，因而提高靶材利用率也是有待于解决的一个问题。[1]
余东海，王成勇，等.磁控溅射镀膜技术的发展[J].真空，）：19-25.
徐均琪, 杭凌侠, 蔡长龙. 磁控溅射离子束流密度的研究[J]. 真空科学与技术学报, ):74-76.
徐万劲. 磁控溅射技术进展及应用(上)[J]. 现代仪器, 2005, (5):1-5.
徐万劲. 磁控溅射技术进展及应用(下)[J]. 现代仪器, 2005, (6):5-10.
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江苏师范大学