影響磁控濺射均勻性的因素
發布時間：2018-11-23
磁控濺射生成的薄膜厚度的均勻性是成膜性質的一項重要指標，因此有必要研究影響磁控濺射均勻性的因素，以更好的實現磁控濺射均勻鍍膜。簡單的說磁控濺射就是在正交的電磁場中，閉合的磁場束縛電子圍繞靶面做螺線運動，在運動過程中不斷撞擊工作氣體氬氣電離出大量的氬離子，氬離子在電場作用下加速轟擊靶材，濺射出呈中性的靶原子（或分子）沉積在基片上成膜。所以要實現均勻的鍍膜，就需要均勻的濺射出靶原子（或分子），這就要求轟擊靶材的氬離子是均勻的且是均勻的轟擊的。由于氬離子在電場作用下加速轟擊靶材，所以均勻轟擊很大程度上依賴電場的均勻。而氬離子來源于被閉合的磁場束縛的電子在運動中不斷撞擊的工作氣體氬氣，這就要求磁場均勻和工作氣體氬氣均勻。但是實際的磁控濺射裝置中，這些因素都是不均勻的，這就有必要研究他們不均勻對成膜均勻性的影響。
磁場不均勻的影響
由于實際的磁控濺射裝置中電場和磁場不是處處均勻的，也不是處處正交的，都是空間的函數。寫出的三維運動方程表達式是不可解的，至少沒有初等函數的解。所以磁場的不均勻性對離子的影響，也即對成膜不均勻性的影響是難以計算的，最好的方法就是配合實驗具體分析。圖1是用中頻孿生靶柔性卷繞磁控濺射鍍膜裝置實驗得出的靶磁場均勻性和成膜厚度均勻性的對應關系。
圖1中，磁場的均勻性計算方法為（Bi—Ba）/Ba，其中Bi為實際測量的靶的長度方向各點沿靶的寬度方向的磁場，Ba為實際測量的所有Bi平均；薄膜的厚度相對偏差由公式(kdi-kda)/kda計算，其中k為膜層對波長550nm的光的吸收系數，di分別為不同點的厚度，da為所有di的平均厚度。kdi由公式T=T0(1-R)exp(-kdi)計算，其中，T為樣品對波長550nm的光的透光率，T0為PET聚酯基材對波長550nm的光的透光率，R為鈦薄膜和基材接觸界面對波長550nm的光的反射率,可以認為和鈦薄膜和空氣界面的反射率相等。T、T0、R由島津的UV-3600分光光度計測量。
從圖中可以看出，磁場和成膜的相對偏差有大致的對應關系，磁場強的位置，膜相對比較厚，反之就較薄。但是這種對應關系卻是不嚴格的。第一，磁場均勻性波動比較頻繁，膜厚均勻性波動較少；第二，不均勻性大小也沒有確切的比例關系；第三，有的位置磁場大小和膜的厚薄甚至相反。
產生磁場強的位置，膜相對比較厚，反之就較薄的現象很容易理解。因為在磁場強的地方，束縛的電子多，激發的離子就多，當然被濺射出的靶材就多，膜就厚，反之則相反。產生第一種現象的原因是靶面上的每個點都對應基材上的一個面，即，從靶面上的一個點上被濺射出的原子(或分子)，不是被對應的鍍到基材上的某一個點上，而是以一定的幾率被鍍到基材上的一個小面內的任意一點兒上。反過來，基材上某處被鍍上的膜，是靶上的一個小面共同作用的結果。這樣，相近靶磁場的疊加作用對鍍膜起作用，很多距離很近的靶磁場的波動被疊加后當然就顯示不出來了。
解釋第二、第三種現象就要用到磁鏡理論了。理想情況下，磁鏡只存在于靶的寬度方向，靶的長度方向是沒有磁場分量的，也就沒有磁鏡。但是，實際情況下，靶的長度方向也存在磁場，存在磁鏡，這就使得電子沿著靶的長度方向運動不再順暢。在某些位置，由于磁鏡的阻擋電子會比較多，相反一些位置會由于磁鏡的阻擋電子比較少。這樣就導致一些位置膜較厚一些位置膜較薄，形成膜厚不均勻。而這些靶的長度方向的磁鏡，主要在靶的寬度方向磁場變化比較大的位置，例如圖中100cm附近，大約在95cm到100cm之間，靶的寬度方向磁場變化較大，靶的長度方向磁場分量不為零且存在梯度，這樣就形成了磁鏡阻擋部分電子穿過此區域到達100cm以后的位置。同樣的，在100cm到130cm之間，靶的長度方向也存在磁場且有梯度，這樣，在此區域電子會受到力的作用被排斥，此區域電子就急劇減少，所以濺射速率也急劇減小，膜層就很快變薄。總的來說，靶的寬度方向磁場束縛電子，靶的長度方向也會有一定的磁場對電子有作用力。所以總的效果是，膜厚大體上和靶的寬度方向磁場對應，但又不是完全對應。
氣體不均勻性的影響
一般來說氣體不均勻可以由兩種情況產生，一種是送氣不均勻，另一種就是抽氣不均勻。
圖2是均勻抽氣不同送氣方式下膜厚的變化情況：
其2中，銅管送氣是氣體從銅管的一端進入，從銅管上均勻開的多個小孔流出進入真空室，由于從進氣端到末端氣體被小孔流出形成壓強漸小，小孔流出的氣體也逐漸減少，形成不均勻送氣；二進制送氣是將氣體均勻的一路分為二路，二路均分為四路，如此均分為多路后送入真空室，可認為是均勻送氣。觀察對比圖中曲線可知二進制送氣情況下，影響膜厚不均勻的主要是磁場，銅管送氣的情況下，膜厚的分布，在磁場影響的基礎上，疊加了一個斜率。這個斜率，正好和銅管送氣產生的壓強梯度相符。壓強大的地方，膜較厚，相反較薄。根據形成不均勻送氣的原理可以推知，膜層厚度的變化斜率可能和小孔的密度，大小和送氣壓力有關，基本關系大概是和小孔密度、大小成正比，和送氣壓力成反比。
圖3是均勻送氣不同抽氣情況下膜厚的變化情況：
其中，正常抽氣情況指的是真空室內的孿生靶兩端對稱抽氣，可認為是均勻抽氣；而前分子泵關和后分子泵關則是一端抽氣，屬于不均勻抽氣。由于都是均勻送氣不均勻抽氣，真空室內的氣體就不均勻了。很顯然前分子泵關只開后分子泵時，氣壓從前到后逐漸減小，而后分子泵關只開前分子泵時，氣壓從后到前逐漸減小。實驗得到的膜厚考慮磁場的影響后也正與氣壓變化相符。
另外還可以發現，某些位置本來受磁場的影響均勻性較差，但是加上抽氣引起的氣體不均勻影響后，均勻性反而變好了。這就給我們一個啟示，也許可以通過特意使氣體在某處有特定的不均勻來補償磁鐵不均勻產生的影響。
靶基距、氣壓的影響
靶基距也是影響磁控濺射薄膜厚度均勻性的重要工藝參數，薄膜厚度均勻性在一定范圍內隨著靶基距的增大有提高的趨勢，濺射工作氣壓也是影響薄膜厚度均勻性重要因素。但是，這種均勻是在小范圍內的，因為增大靶基距產生的均勻性是增加靶上的一點對應的基材上的面積產生的，而增加工作氣壓是由于增加粒子散射產生的，顯然，這些因素只能在小面積范圍內起作用。
結論：
磁場的均勻性和工作氣體的均勻性是影響成膜均勻性的主要因素。磁場大的位置膜厚，反之膜薄，靶的長度方向的磁場分量也會對鍍膜厚度均勻性產生影響；氣壓大的位置膜厚，反之膜薄。由于磁場不可能絕對理想，那么就存在不均勻，而膜層厚度和氣壓的關系使調節氣壓不均勻來補償磁場不均勻成為可能。另外，還可以配合調整靶基距和工作氣體壓強的方法在一定程度上使膜層均勻。
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