非平衡磁控溅射沉积系统伏安特性模型研究

1、非平衡磁控溅射沉积系统伏安特性模型研究牟宗信李国卿­ 车德良黄开玉柳翠(大连理工大学三束材料改性国家重点实验室, 大连116024)(2003 年9 月27 日收到;2003 年11 月4 日收到修改稿)非平衡磁控溅射沉积系统的伏安特性对阴极溅射和薄膜沉积过程具有重要的影响. 通过分析在常规磁控溅射沉积系统中非平衡磁场对于放电过程的影响,根据蔡尔得定律研究了非平衡磁场对磁控溅射沉积系统伏安特性影响的基本规律;根据模型和实验数据的对比证明模型正确表达了非平衡磁控溅射沉积系统中非平衡磁场对伏安特性影响的规律.关键词: 等离子体, 金属薄膜P非磁性, 磁控溅射11 引言磁控溅射沉积技术是一

2、种应用广泛的表面处理技术,可用来沉积各种功能薄膜,其应用特性一直是学者关注的研究领域1 8 . 随着研究的深入目前出现了多种新型的磁控溅射系统和增强沉积系统,如射频磁控溅射沉积系统、中频或中频对靶磁控溅射系统以及采用灯丝、微波源增强的磁控溅射系统等新型设计9 11 ,其应用的领域和功能日益扩展和完备. 自Window 等发表关于非平衡磁控溅射沉积技术的研究以来12 ,这种新的设计思想得到了广泛的研究,用来沉积DLC ,TiN 等多种功能材料的研究结果表明性能好于常规磁控溅射系统13 18 . 非平衡磁控溅射系统的放电特性,由于非平衡磁场的存在,不同于常规的磁控溅射系统,实验研究的结果表明,非平

3、衡磁场的存在优化了非平衡磁控溅射系统的放电特性,本文在蔡尔得定律基础上建立了一种理论模型,与实验数据有较好的符合.21 实验装置和过程设计非平衡磁控溅射沉积系统可以有多种设计形式19 21 ,本文采用一个磁控溅射靶和一个激励电流可调的电磁线圈构成,结构如图1 所示,电磁线圈的激励电流在0 5A 之间,所以等离子体的空间分布状态是可以调节的. 磁控溅射靶的表面直径为95mm ,通过对刻蚀痕迹分析确定有效放电面积为30cm2 ,和阴极表面平行磁场为0112T 左右, 采用NdFeB 永磁材料形成,磁控溅射靶由循环水强制冷却. 附加电磁场的磁场位形分布状态采用数值计算的方法得到如图1 所示,图2 是

4、靶前轴向磁场强度分布的测量值,真空系统由前级机械泵和油扩散泵构成,磁控靶的直流电源系统有过流保护. 真空度的测量采用ZDF 真空计,气体的流量由气体质量流量计来调节,本文实验中气体流量和实验参数分别如表1 所示.表1 非平衡磁控溅射系统放电参数气压PPa N2013PAr012 7N2Psccm 1517 (99199 %) 34ArPsccm 817 (99199 %) 29阴极材料TiP% 9918靶流PA DC 0 5放电电压PV DC 0 1000极限真空PPa 5 ×10 - 3实验中放电会引起气压波动,可以通过控制气体流量的稳定,使之保持确定的数值;采用先启辉,然后调节溅

5、射靶流达到要求数值,再调节非平衡磁场激励电流的顺序,使系统达到稳定工作状态后测量系统伏安数值.第53 卷第6 期2004 年6 月100023290P2004P53 (06)P1994206物理学报ACTA PHYSICA SINICAVol. 53 ,No. 6 ,June ,2004n 2004 Chin. Phys. Soc.© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.31 磁场分布特征和模拟非平衡磁控溅射沉积系统中存在电磁场和永磁场的耦合作用,由于非平衡磁场的作用,磁场强度在

6、距离阴极50mm 位置上有一个峰值21 ,有效地约束电子,从阴极而来的电子会受到这种特殊磁场分布的影响,系统轴向测量的磁场值如图2 中的实点表示,同时为计算方便,用(1) 式来拟合这种磁场的分布,假设阴极表面的永磁场和产生非平衡磁场的电磁场分别由两个线圈激发的耦合,为简化问题,忽略溅射靶的结构因素,两个电磁线圈的有效半径分别为R = 100mm , r = 24mm ,等效激发电流可以根据实验数据拟合,分别为Ieff1 = 01494 + 01457 IB ( A) 和Ieff2= 01282 + 01206 IB ( A) ,其中IB 为总的激发电流,这样轴向一维的磁场可以直接表达成B (

7、IB , x) 的关系为B ( IB , x) =Ieff1 R2( x2 + R2 ) 3P2 +Ieff1 r2( x2 + r2 ) 3P2 . (1)图1 非平衡磁场分布的特点图2 轴向磁场测量与公式拟合的比较计算中采用轴向一维假设,所以(1) 式中代入不同的电流IB 即可拟合实验数据,如图2 曲线所示.在轴线上出现一个磁场的峰值,在阴极和磁场峰值之间,电荷运动受到约束,类似磁镜的作用. 越过峰值以后,电荷沿磁力线被引出阴极区,最终达到不受磁场影响的自由辉光状态.41 同轴约束磁场对非平衡磁控溅射系统伏安特性影响分析磁控溅射系统阴极表面存在垂直电场的磁场,为考查非平衡磁场对放电系统特性

8、的影响,仍然假设磁控溅射靶放电为理想的空间电荷限制情况. 低温稀薄等离子体放电系统中影响阴极放电特性的成分主要是电子,在空间电荷限制条件下阴极电荷分布满足泊松分布方程22 V2 =d2 Vd x2 = -0= -ene0,(2)式中是只考虑电子电荷时的电荷密度, ne 是电子密度,0 是真空介电常数, V 是阴极电势, e 为基本电荷. 如图1 和图2 所示,在阴极磁控靶前形成一个磁场的峰值,在峰值位置和阴极之间存在一个磁场梯度,这样电子的密度和速度都受到这种磁场分布的影响,假设在没有非平衡磁场的作用情况下,轴向磁场分布的峰值位置电子的密度和速度分别为ne ,v ,受到非平衡磁场影响的电荷密度

9、和速度分别为ne , v,根据连续性原理,电流从阴极出发,经过约束磁场区域,受到磁场影响的阴极电流密度表达成J = - ene ( x) v( x) = const. (3)在阴极区域由于电子(电荷) 受到磁场的约束,所以气压受到磁场的影响,表达成等效气压的形式,p= p (1 +2 ) 1P2 ,其中=een,e 为电子的回旋频率,en为阴极区电子和离子、原子的碰撞频率. 所以阴极区域的等效电荷密度为n= n (1 + 2 ) 1P2 . (4)根据电子在磁场中运动的磁矩守恒=W2B,W为电子在垂直磁场方向回旋运动的动能. 忽略非平衡磁场对于电子与非平衡磁场磁力线平行动能Wp 的影响,电子在

10、磁场中的运动过程中具有磁矩守恒的特性22 ,23 , =mv022B0= mv22Bcon= mv22Bub, (5)6 期牟宗信等:非平衡磁控溅射沉积系统伏安特性模型研究1995© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.其中v0 ,B0 分别是阴极表面区域的电子速度和磁场强度,在不同的非平衡磁场条件下可以认为它们都是相等的,Bub为电磁场激励电流不为零时的峰值位置总磁场, Bcon 为电磁场的激励电流为零时的基础磁场. 电子速度受到非平衡磁场影响的程度是一个相对值,受= BubP

11、Bcon决定. 电子受到约束,只有动能大于一定的数值才能从阴极区域脱离. 当电子从阴极表面运动到磁场的蜂值位置,受到不同的非平衡磁场作用其速度受到影响,相对于常规磁控溅射系统电磁场激励电流不等于零和等于零两种条件下的电子速度关系为v= v , (6)所以阴极的电流密度写成J = - e (1 + 2 )1P2 ne v , (7)阴极上电子以速度v0 发射,电子的运动符合能量守恒,则下式成立:12 mv2 = eV +12 mv02 . (8)由此得到x 处的电子速度为v ( x) = v02 +2 eVm. (9)将(7) , (9) 式代入(2) 式,得到d2 Vd x2 = J0 (1

12、+ 2 ) - 1P2 v02 +2 eVm- 1P2. (10)假设阴极发射的电子速度v0 = 0 ,解上述二阶非线性微分方程得到22 V0dVV1P4 =8J2 m02 e (1 + 2 )1P4x0d x =43V3P2 ,(11)进行积分整理得到J =4092 em(1 + 2 )1P2 V3P2d2 . (12)上述公式表明了同轴约束非平衡磁场对于系统伏安特性的影响. 和朗谬尔2蔡尔得定律比较,在公式中引入了非平衡磁场的作用参数,表达出这种非平衡磁场的作用规律.51 磁控溅射系统伏安特性实验公式磁控靶的阴极表面存在较强的磁镜场,能有效约束电子,增强电离和溅射过程. 对于一个普通的二极

13、放电过程其放电电流受到空间电荷限制,伏安特性符合蔡尔得定律1 . 磁控溅射沉积系统中由于阴极表面的特殊磁场分布对放电造成的影响,一方面电子要在电场的作用下越过磁场;另一方面,电子又受到和阴极表面平行的磁场约束,电子在阴极前的交叉场中飘移运动,则越过交叉场的电子迁移率为23 = 0 1 +2e2en, (13)其中0 是无磁场时的电子迁移率,e 是电子的回旋频率,en是电子和离子、原子的碰撞频率. 在气体放电的系统中,电子的碰撞频率依赖于电子的速度和平均自由程,这两个量又是相互依赖的,所以电子穿过交叉场的迁移率就成为放电电流和电压关系的控制因素. 在确定磁场条件下,根据Westwood24 推导

14、磁控溅射系统的伏安特性表达成一般的形式为J = ( V - V0 ) 2 , (14)其中J 是放电的电流密度,对于放电阴极表面积的积分就是放电电流,是依赖于放电气压的常数, V是放电的电压, V0 是放电的起始电压. 根据实验系统的电压2气压关系和伏安特性得到2p 的关系. 如图3 所示. 实验发现放电的气压显著影响系统放电的伏安特性,在放电气压p > 2Pa 的条件下系统的放电属于空间电荷限制过程,基本符合上述关系;放电气压p < 2Pa 的条件下,放电的过程受到阴极鞘层电离率限制,接近于放电的截止状态. 根据巴邢定律在放电电压最小值Vmin = f ( pd) 的两侧分别拟合

15、成两种依赖于气压的线性关系如图3 中的小图所示( p为放电气压, d 为阴阳极距离) .图3 常规磁控溅射沉积系统实验得到的放电启辉电压V 和放电气压P 的关系. 小图为根据不同放电气压条件下伏安数据按(15) 式做出的2p( V - V0) 2 的关系对于具体的实验过程分别得到两种线性关系1,2 . (14) 式对应于启辉电压存在一个启辉电流1996 物理学报53 卷© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.J0 ,所以公式表达成下面的形式更符合实验情况:J - J0 = ( V

16、 - V0 ) 2 . (15)结合前面关于修正蔡尔得定律的分析结果,(15) 式为了能够反应非平衡磁场的影响,引入系数= (1 + 2 )1P2 . (16)根据前述的分析,可将非平衡磁控溅射伏安特性表达成J - J0 = ( V - V0 ) 2 . (17)61 实验数据拟和与分析实验中分别采用两种放电气体测定放电的伏安特性,以比较两者的差别,其中惰性气体Ar 在放电过程中起电离、溅射作用,N2 放电更复杂,既有电离、溅射作用,还会和阴极溅射的金属离子在某些沉积表面发生化学反应,甚至在阴极的表面发生反应,影响放电,即发生溅射靶的“毒化”现象,在本文实验中没有发生溅射靶的毒化,因为阴极表面

17、的磁场有效增强了电离,溅射效应比较强烈的缘故. 图4 至图7 是实验中测定的稳定放电的伏安数据,从图中看到由于非平衡磁场的存在,放电电压得到不同程度的降低;实验数据分别在Ar ,N2 放电气压为7Pa 和Ar 放电气压为012Pa ,N2 放电气压在013Pa 的情况得到,分别对应于Ar 和N2 放电的线性关系1 - p ,2 - p 两种情况,在同样的工作电压和气压条件下,放电电流达到普通磁控溅射的2 倍以上,图上曲线分别对应于不同非平衡磁场的情况,考虑到放电过程不稳定性造成的数据误差,模型预测的数值变化趋势和实验数据变化趋势基本一致,另外由于N2 是一种反应性气体,放电过程中会在沉积表面发

18、生化学反应,消耗大量气体分子造成真空室的实际气压低于读数时的气压,从而放电的电压普遍偏高,放电功率越大,电离效应增强,这种表现在伏安数据上的变化越明显. 由图5 和图7 中对拟合曲线与实验数据点的比较可知两者符合得较好,在这个气压范围内是很好的空间电荷限制状态,因此模型预测比较准确. 处于比较低的放电气压条件下如图4 和图6中由于放电系统固有的不稳定因素导致误差较大1 ,但模型仍然正确表达了非平衡磁场对于伏安特性的影响趋势,对于常规磁控溅射(即IB = 0A 时)电压已经反常升高,这是由于粒子的自由程增加导致电离概率减小,系统接近于放电截止状态,但附加非平衡磁场后系统放电特性得到改善. 对于图

19、7 中图4 氩气放电气压为012 Pa ,Ti 阴极条件下,伏安数据(实点)和根据(17) 式模型拟合曲线,曲线自上而下分别对应电磁场激励电流0 4A图5 氩气的放电气压为7Pa 时伏安数据(实点) 和模型拟合曲线,条件同4图6 氮气的放电气压013 Pa 时,伏安数据(实点) 和模型拟合曲线N2 放电的伏安特性受到反应性的影响,增加非平衡磁场激发电流在达到2 3A 时非平衡磁场的作用6 期牟宗信等:非平衡磁控溅射沉积系统伏安特性模型研究1997© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserv

20、ed.图7 氮气的放电气压为7Pa 时伏安数据(实点) 和模型拟合曲线显著,但增加到4A 时电压升高,非平衡磁场不但影响放电伏安特性而且增加电离过程,所以N2 反应性增强引起放电电压反常升高. 在低的放电真空度下,非平衡磁场的作用使放电的工作点降低的同时,可以保持溅射过程稳定,提高系统真空度对于提高薄膜的质量有益,所以这是非平衡磁控溅射沉积系统的一种重要优点14 21 .非平衡磁场激励电流的调节过程也可以看成是优化阴极前横向磁场和纵向磁场场强分布的过程,阴极区域的电荷可以沿磁力线运动到沉积区25 .NdFeB 永磁材料的磁性能也会受到电磁场的影响,过高的增强电磁场也会相应地减弱阴极的表面磁场,

21、从而影响放电的特性,所以电磁场的调节限定在一定的范围内为宜,如图2 所示轴向磁场的峰值0101 0102T即可达到约束电子的目的,总之,可以通过控制放电电流和电压来控制放电的稳定和薄膜的沉积速率,最终达到控制薄膜的结构、性能的目的26 ,27 ,本文推荐的模型对于非平衡磁控溅射沉积系统的设计和分析具有一定的参考价值,对于薄膜沉积可以根据本文模型结合具体实验情况选择适当的沉积条件.71 结论在考虑非平衡磁场的条件下通过对蔡尔得定律的修正得到了一种非平衡磁控溅射系统的伏安特性模型,根据和实验数据对比证明模型能够正确反应非平衡磁场对于系统放电特性的影响规律,对于优化非平衡磁控溅射系统的设计和功能材料

22、的研究具有一定参考价值.1 Thornton J A 1978 J . Vac. Sci . Technol . 15(2) 1712 Szikora B 2001 Vacuum 61 3973 Liu L J , Shen J and Zhang Z J 2000 Acta Phys . Sin. 49 306 (inChinese) 刘隆鉴、沈杰、张壮健2000 物理学报49 306 4 Xie D T , Zhao K, Wang L F 2002 Acta Phys . Sin. 51 1377 (inChinese) 谢大、赵夔、王莉芳2002 物理学报51 1377 5 Meng

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