引言
磁控濺射是一種常見的物理氣相沉積方法，具有沉積溫度低、沉積速度快、方便多個(gè)靶材進(jìn)行材料合成等優(yōu)點(diǎn)，常用于金屬[1-3]、半導(dǎo)體[4-6]、絕緣體[7-9]等多種薄膜材料的制備。然而，在磁控濺射過程中，不同材料的濺射原子角分布差異很大[10]，而且合金材料的一些參數(shù)不易設(shè)定，因此采用晶振片監(jiān)測(cè)沉積薄膜厚度有很大的局限性。在實(shí)際使用中，通常選擇控制濺射工藝時(shí)間來控制所制備沉積薄膜厚度。具體做法
是：在一小段時(shí)間內(nèi)濺射沉積某種薄膜，采用臺(tái)階儀測(cè)得厚度值并換算成沉積速率；當(dāng)制備具體厚度的該材
料薄膜時(shí)，只需簡(jiǎn)單的比例運(yùn)算，就可得到沉積該厚度所需要的時(shí)間。
在大量的實(shí)驗(yàn)記錄中發(fā)現(xiàn)，通過控制濺射工藝時(shí)間來控制薄膜厚度的方法也存在一定的缺陷。當(dāng)濺射靶材為銅、鋁、鈦、鉻等金屬靶材時(shí)，沉積薄膜厚度和濺射工藝時(shí)間符合線性規(guī)律，采用濺射工藝時(shí)間控制沉積薄膜厚度比較科學(xué)。然而，當(dāng)靶材為氧化鋅、二氧化硅等導(dǎo)熱差的材料時(shí)，隨著濺射工藝時(shí)間的延長(zhǎng)，濺射速率在一定時(shí)間后突然增加，出現(xiàn)“濺射失重”現(xiàn)象[10]，讓沉積薄膜厚度變得不再可控。為此，根據(jù)所用設(shè)備的特點(diǎn)和靶材的實(shí)際導(dǎo)熱情況以及濺射時(shí)腔內(nèi)的溫度變化建立數(shù)學(xué)模型，采用Matlab軟件模擬靶材表面溫度隨濺射工藝時(shí)間的變化關(guān)系，闡明氧化鋅、二氧化硅靶材濺射速率突然增加的原因。
1、實(shí)驗(yàn)部分
磁控濺射鍍膜設(shè)備為explore-14多靶磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，共有3個(gè)直徑為3in（lin=2.54cm）的水冷靶槍，配備2個(gè)直流電源和1個(gè)射頻電源。水冷靶槍的常年溫度約為25℃。靶材中心距工件臺(tái)中心約為15cm，靶平面與工件臺(tái)平面的夾角約為45°。選用直徑3in的銅、鋁、氧化鋅和二氧化硅靶材，靶材純度均為99.999％，靶材厚度為5mm。襯底均為4in清洗干凈的單面拋光硅片。
所有待沉積薄膜的硅片在放置于工件臺(tái)之前，貼好十字形聚酰亞胺膠帶，方便后序臺(tái)階儀測(cè)量薄膜的厚度。
1.1 銅靶材濺射
在2個(gè)直流靶上分別安裝鉻和銅靶材。將腔內(nèi)抽真空到0.1MPa后，對(duì)2個(gè)靶材預(yù)濺射清洗2min。靶材濺射清洗具體工藝條件為：工作氣壓0.8Pa，濺射功率300Ｗ。然后，對(duì)已經(jīng)放置于工件臺(tái)上的硅片襯底濺射沉積薄膜。具體做法如下：先在硅片上濺射約10nm的鉻，增加銅和襯底的黏附性。濺射鉻的工藝條件為：濺射功率300Ｗ，工作氣壓0.8Pa，濺射工藝時(shí)間40ｓ，工件臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度10r/min。關(guān)閉鉻靶電源，打開銅靶電源對(duì)襯底進(jìn)行濺射。濺射銅的工藝條件為：濺射功率300W，工作氣壓0.8Pa，濺射工藝時(shí)間15min，工件臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度10r/min。濺射完畢后，取出樣品并測(cè)量厚度。更換為全新的銅靶和待沉積的硅片樣品，重復(fù)上述制備銅膜的工藝步驟，將濺射工藝時(shí)間分別延長(zhǎng)為30、45、60、75、90、105、120min。需要注意的是，為了實(shí)驗(yàn)
的嚴(yán)謹(jǐn)性，每制備一次新樣品都要更換全新的銅靶材。在所有濺射過程中，為了防止腔內(nèi)環(huán)境溫度升高，
腔壁吸附的水分子釋放出來影響濺射速率，采用液氮在分子泵前端的冷阱進(jìn)行制冷。制冷間隔為每30min
加注一次液氮。
1.2 鋁靶材濺射
鋁靶材濺射和銅靶材濺射的工藝步驟相同，濺射前對(duì)靶材預(yù)濺射清洗2min。鋁靶材的濺射功率為300Ｗ，工作氣壓為0.8Pa，工件臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度為10r/min，首次濺射工藝時(shí)間為15min，后續(xù)濺射工藝時(shí)間分別為30、45、60、75、90、105、120min。2個(gè)直流靶上分別安裝鈦和鋁靶材，鈦?zhàn)鳛殇X膜的黏附層每次沉積約10ｎｍ。工藝條件為：濺射功率300Ｗ，工作氣壓0.8Pa，濺射工藝時(shí)間30ｓ。每制備一次新樣品后都要更換全新的鋁靶材。
1.3 氧化鋅靶材濺射
氧化鋅靶材安裝在射頻電源靶槍上。腔內(nèi)抽真空到0.1MPa后，對(duì)氧化鋅靶材預(yù)濺射清洗2min。預(yù)濺射功率為300Ｗ，工作氣壓為0.8Pa。在沉積氧化鋅薄膜之前，用50Ｗ的負(fù)偏壓功率對(duì)襯底預(yù)清洗3min，增加薄膜和襯底的結(jié)合力。濺射氧化鋅靶材的工藝條件和濺射銅、鋁靶材的工藝條件相同。每制備一次新樣品都要更換全新的氧化鋅靶材。后續(xù)的系列實(shí)驗(yàn)將濺射工藝時(shí)間分別設(shè)定為30、45、60、75、90、105、120min，制備好樣品后測(cè)量厚度。
1.4 二氧化硅靶材的濺射
二氧化硅靶材的濺射工藝參數(shù)與步驟和氧化鋅靶材的完全相同，實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)不再贅述。
2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
去掉硅片上的聚酰亞胺膠帶，采用KLA-TencorP7臺(tái)階儀多次測(cè)量硅片不同位置所制備樣品薄膜的厚度，求平均值。相同濺射功率、不同濺射工藝時(shí)間下沉積的銅、鋁、氧化鋅、二氧化硅薄膜具體厚度如表1和圖1所示。
3、分析與討論
由實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，銅、鋁2種金屬的沉積薄膜厚度和濺射工藝時(shí)間幾乎呈線性變化。在濺射工藝時(shí)間40～80min區(qū)間內(nèi)，銅膜的實(shí)際沉積厚度比理論值略有增加。造成這種結(jié)果的原因可能是：隨著銅靶材的消耗、刻蝕槽的加深，更多的磁場(chǎng)力線露出靶面，對(duì)電子的束縛能力更強(qiáng)，電子與氬氣碰撞產(chǎn)生更多的氬離子，造成濺射產(chǎn)額增加，薄膜的沉積速率略快；當(dāng)濺射工藝時(shí)間超過90min，刻蝕槽的繼續(xù)加深導(dǎo)致“空心陰極效應(yīng)”現(xiàn)象的產(chǎn)生，加速銅膜沉積速率的降低[11]。在濺射工藝時(shí)間60～105min區(qū)間內(nèi)鋁薄膜沉積速率略增加，在105～120min區(qū)間內(nèi)沉積速率略下降，這是因?yàn)殇X靶的濺射速率比銅靶慢，變化趨勢(shì)也會(huì)相應(yīng)延遲。
氧化鋅和二氧化硅薄膜實(shí)際沉積厚度在前期與理論值較吻合，當(dāng)濺射工藝時(shí)間繼續(xù)增加后，實(shí)際厚度逐漸比理論值偏大，甚至出現(xiàn)了“濺射失重”的現(xiàn)象。這可能是由靶材的導(dǎo)熱性能不好、靶材表面溫度過高所造成的。根據(jù)所用濺射鍍膜設(shè)備的具體特點(diǎn)和靶材的導(dǎo)熱情況嘗試建立數(shù)學(xué)模型。
當(dāng)靶材的濺射功率為300W時(shí)，大約只有1％的入射離子能量轉(zhuǎn)移到逸出的濺射原子中[12]。剩下的能量一部分消耗在靶材的表層，轉(zhuǎn)化為晶格的熱振動(dòng)，使靶材表面溫度升高；另一部分用于氬氣電離，釋放的熱量以熱輻射的形式對(duì)外傳熱。設(shè)靶材表面溫度為Ｔ，當(dāng)時(shí)間為ｔ、冷水靶槍的溫度恒定為25時(shí)，溫度與時(shí)間的關(guān)系為
其中：Ｓ為實(shí)際導(dǎo)熱面積；λ為材料的平均導(dǎo)熱系數(shù)；ｈ為靶材厚度；Ｋ為靶材和靶槍兩界面間的傳熱系數(shù)；ｍ為靶材質(zhì)量；ｃ為靶材比熱容；Ｑ為濺射時(shí)整個(gè)腔體吸收的熱量。
以銅靶材為例，在濺射過程中氬離子轟擊主要集中在刻蝕槽區(qū)域，靶材底部的實(shí)際導(dǎo)熱面積Ｓ約為4cm2，平均導(dǎo)熱系數(shù)λ約為400W/（m.K），厚度ｈ為5mm，Ｋ約為1mW/（ｍ2.Ｋ），m約為0.2ｋｇ，ｃ約為0.4mJ/（kg·℃），腔體吸收的熱量Ｑ與靶材表面的溫度存在比例關(guān)系（Ｑ＝200Ｔ）。代入以上數(shù)據(jù)，銅靶材表面溫度與濺射工藝時(shí)間的關(guān)系為
將另外3種材料的平均導(dǎo)熱系數(shù)、靶材質(zhì)量、靶材比熱容等數(shù)據(jù)代入式（1）后，用Matlab軟件模擬出靶材表面溫度隨濺射工藝時(shí)間的變化，如圖2所示。
由圖2模擬結(jié)果可知，對(duì)于銅、鋁2種靶材，在濺射開始時(shí)靶材表面溫度迅速升高。隨著靶材表面和水冷靶槍溫差變大，熱量傳輸更加迅速。由于銅、鋁的導(dǎo)熱性能良好，在工藝開始的10min后，濺射產(chǎn)生和導(dǎo)走的熱量趨于平衡，銅靶和鋁靶表面溫度不再升高，分別約為75℃和94℃。兩者均沒有達(dá)到材料“濺射失重”的臨界溫度，所以在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中沉積薄膜厚度和濺射工藝時(shí)間幾乎是呈線性變化的。
對(duì)于氧化鋅和二氧化硅2種靶材，由于材料的導(dǎo)熱性能較差，加上材料溫度的升高，因此導(dǎo)熱性能隨之下降[13]。靶材表面的熱量向水冷靶槍傳輸比較困難，靶材表面溫度不斷升高。在約345℃和472℃時(shí)，氧化鋅和二氧化硅靶材表面溫度趨于穩(wěn)定。靶材表面溫度的升高造成材料鍵長(zhǎng)增加和穩(wěn)定性變差。
當(dāng)溫度達(dá)到某一臨界值時(shí)，氬離子轟擊靶材表面，更多的原子克服材料間的鍵能而逸出靶面，因此出現(xiàn)了“
濺射失重”現(xiàn)象。在相同的工藝條件下，氧化鋅靶材“濺射失重”現(xiàn)象比二氧化硅靶材出現(xiàn)較早，這可能
是由氧化鋅的鍵能約為270kJ/mol，而二氧化硅的鍵能約為799kJ/mol[14]，氧化鋅靶材中氧和鋅鍵能較低的緣故造成的。
4、結(jié)語
在使用磁控濺射鍍膜設(shè)備沉積薄膜時(shí)，隨著濺射工藝時(shí)間的延長(zhǎng)，銅、鋁靶材的濺射速率變化不大，而
氧化鋅、二氧化硅等靶材出現(xiàn)突然加速的“濺射失重”現(xiàn)象。由靶材表面溫度與濺射工藝時(shí)間的變化關(guān)系
可知，氧化鋅和二氧化硅導(dǎo)熱性能不良造成靶材表面溫度比銅、鋁靶材表面溫度高。靶材表面溫度超出“
濺射失重”的臨界溫度，可能是氧化鋅和二氧化硅靶材濺射速率突然增加的原因。
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