CN101565818A - 一种溅射镀膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种溅射镀膜方法，采用磁场辅助溅射方式镀膜，靶材和基片平行设置于两电极之间的电场中，靶材位于阴极表面，基片位于阳极，使靶材和基片之间形成等离子区，离子轰击靶材产生溅射，溅射出的靶材成分粒子沉积在基片上形成薄膜，其特征在于：所述靶材位于由永久磁铁或电磁铁或电磁线圈产生的磁场中，磁场的方向垂直于靶材表面。本发明的方法能够大幅度提高溅射镀膜的速率，大幅度提高镀膜的结晶质量；能整体比较均匀地刻蚀靶材，靶材的利用率可以提高到85～90％；并且对磁性和非磁性靶材都能获得更高的溅射速率和同样的溅射效果。

Description

一种溅射镀膜的方法

技术领域

本发明涉及一种薄膜材料的制备方法，具体涉及一种由磁场辅助实现溅射镀膜的方法。

背景技术

从1870年开始，人们就已将溅射现象用于薄膜制备。溅射法镀膜的原理是高速粒子(大多是由电场加速的正离子)轰击靶表面，靶表面的原子和分子与高速粒子交换能量后从靶表面逸出，这种现象称为溅射，溅射出的靶材原子或分子与基片表面相遇时，会在基片表面发生凝聚沉积，沉积的原子或分子在表面上发生扩散，成核以至成团，长大最终形成薄膜层。表征溅射特性的主要参数有溅射阈值、溅射率、溅射粒子的速度和能量等。溅射镀膜的种类有许多，如直流二极溅射、三极和四极溅射、磁控溅射、射频溅射、偏压溅射、离子束溅射和反应溅射等。

磁控溅射的基本装置是在直流溅射或射频溅射装置的基础上，在阴极内部放置永久磁铁或电磁铁，使得靶材表面的上方部分区域形成一个平行于表面的横向磁场。磁控溅射原理就是电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和二次电子。其中，氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜。二次电子在飞向基片的过程中受到横向磁场的作用，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内作回旋运动，大大延长了电子到达阳极的行程，使在此行程中与氩原子发生碰撞电离的几率大大增加，轰击靶的正离子的密度因而也大大提高，从而提高了溅射的速率。

磁控溅射镀膜技术的主要优点就是利用这种磁场辅助约束二次电子、提高电子和工作气体的碰撞几率，从而提高电离效率、得到较高的镀膜沉积速率，加上几乎所有的金属、合金和陶瓷都可以作为靶材进行镀膜，磁控溅射镀膜已经被广泛应用于科研和大面积镀膜生产各个领域。但普通的磁控溅射镀膜技术也存在一些明显的缺点：一是阴极内采用的磁铁结构的原因，靶材表面附近不均匀分布的磁场产生不均匀分布的等离子体、导致靶材面上的不均匀刻蚀，使用后的靶材面上会出现一条环状沟槽，一旦沟槽穿透靶材，就会导致整块靶材报废，所以靶材的利用率通常只有25～45％，造成资源利用的不充分；二是靶表面的横向磁场束缚带电粒子在靶表面附近，随着离开靶面距离的增大，带电粒子浓度迅速降低，大部分的中性粒子才不受束缚飞向基片成膜，这些粒子的化学活性不强、难以生成高品质薄膜；三是由于磁性靶材的磁屏蔽作用，利用磁性材料的镀膜速率不高。

为克服磁控溅射镀膜过程中的这些缺点，近二十年来，人们做了各种改进磁场分布方面的努力。为提高靶材利用率，主要是通过改变阴极中磁路的结构、附加辅助电磁线圈或磁铁增加额外磁场、镀膜过程中不断移动磁铁位置等，达到增大靶材面上横向磁场的分布面积和均匀性；为提高等离子浓度，出现了采用不对称磁极或附加电磁线圈的非平衡磁控溅射技术，提高等离子浓度及其分布区域；为同时提高靶材利用率和等离子浓度，英国的PQL公司开发推出了配备等离子发射枪(Plasma Launch System)的研究实验用溅射镀膜系统。但所有这些技术由于附加了额外结构或功能单元，结构更加复杂，难以推广到大面积镀膜的生产领域。

发明内容

本发明目的是提供一种溅射镀膜的方法，以克服现有的磁控溅射镀膜方法中靶材利用率低、难以提高薄膜质量和难以溅射强磁性靶材等缺点。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种溅射镀膜方法，采用磁场辅助溅射方式镀膜，靶材和基片平行设置于两电极之间的电场中，靶材位于阴极表面，基片位于阳极，使靶材和基片之间形成等离子区，离子轰击靶材产生溅射，溅射出的靶材成分粒子沉积在基片上形成薄膜，所述靶材位于由永久磁铁或电磁铁产生的磁场中，磁场的方向垂直于靶材表面，磁场的强度沿靶材表面呈均匀或近均匀分布。

上述技术方案中，所述方向垂直于靶材表面设置的磁场的产生方法是，在阴极内设置永久磁铁或电磁铁，或在圆柱形阴极外侧设置电磁线圈，使整个靶材处于磁铁或线圈产生的磁场中，且靶材表面处的磁场的方向与靶材表面垂直。

本发明的溅射镀膜方法中，由永久磁铁或电磁铁在垂直于靶材表面的方向产生一个均匀或比较均匀的磁场，整个靶材处于该磁场中。磁铁的形状依据镀膜设备上采用圆形靶或矩形靶的不同，可采用圆柱体或长方体，靶材一侧的磁极可根据镀膜靶材的材质取N极或S极。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明改变了现有技术中利用正交电磁场维持平面磁控溅射的做法，创造性地提出了“设置磁场的方向垂直于靶材表面”的技术特征。实验表明，采用这种方法能够大幅度提高溅射镀膜的速率，大幅度提高镀膜的结晶质量；

2.本发明通过构建垂直于靶材表面的磁场，在靶材表面形成近似均匀的磁场分布，能整体比较均匀地刻蚀靶材，靶材的利用率可以提高到85～90％；

3.本发明的阴极磁场设置，对磁性和非磁性靶材都能获得更高的溅射速率和同样的溅射效果；

4.本发明的方法可以通过对现有溅射镀膜阴极进行改造实现，在较低的成本下提高镀膜系统的效能。

附图说明

图1是本发明实施例一的装置和磁场分布示意图；

图2是实施例一中圆形靶材的示意图；

图3是实施例一中矩形靶材的示意图；

图4是溅射Cu靶时，实施例一方法与普通磁控溅射方法产生的辉光形状分布和强度的比较照片；

图5是实施例一方法与普通磁控溅射方法获得的铜薄膜结晶状况的扫描电子显微镜比较照片；

图6是实施例一方法与普通磁控溅射方法靶材刻蚀程度比较照片。

其中：1、靶材；2、基片；3、磁铁；4、阴极；5、冷却水进口；6、冷却水出口。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：一种溅射镀膜方法，采用磁场辅助溅射方式镀膜，参见附图1所示，靶材1和基片2平行设置于电场中，靶材1位于阴极4表面，使靶材1和基片2之间形成等离子区，离子轰击靶材1产生溅射，溅射出的靶材原子或分子沉积在基片2上形成薄膜，所述靶材1位于由磁铁3产生的磁场中，磁场的方向垂直于靶材表面设置。

本实施例中，所述方向垂直于靶材表面设置的磁场的产生方法是，在溅射镀膜阴极4内设置磁铁3，该磁铁3可以采用永久磁铁或电磁铁，磁铁3的一极指向靶材1，使整个靶材1处于该磁铁3形成的磁场中，且靶材表面处的磁场的方向与靶材表面垂直。在实际制作中，磁铁位于阴极内腔中，并采用冷却水冷却，在阴极结构上设置有冷却水进口5和冷却水出口6。参见附图1所示，本发明的磁场方向垂直于靶材表面设置；附图2为采用圆柱体靶材时的示意图；附图3为采用长方体靶材时的示意图。

采用上述方法可以明显地增强等离子体的强度和可扩大等离子体的分布范围到基片(被镀件)的表面，产生的效果是：能够大幅度提高溅射镀膜的速率；大幅度提高镀膜的结晶质量；大幅度提高靶材的利用率；对磁性靶材有与非磁性靶材同样的溅射效果。图4是溅射Cu靶时，本溅射方法与普通磁控溅射方法产生的辉光形状分布和强度的比较照片(注意两者取照的距离不同)。左图是普通射频磁控溅射，辉光呈发散形，上方的靶表面附近的辉光最亮，距离靶表面越远辉光的亮度越弱，到下方的基片处已基本看不到辉光。右图是本溅射方法，靶材表面处很强的辉光一直延伸至基片的表面。另外，更换靶材重复实验还发现，对于同一个磁铁，辉光外形不随靶材种类的改变而改变。图5是用本溅射方法和普通磁控溅射方法制备的铜薄膜结晶状况的比较。两种薄膜中铜颗粒的大小明显不同，即薄膜的结晶程度差别很大。图6是本溅射方法与普通磁控溅射方法时，靶材刻蚀均匀程度的比较。图左是普通平面磁控溅射形成的典型沟状环形刻蚀，图右显示本溅射对靶材整体比较均匀的刻蚀，靶材的利用率明显提高。

采用本实施例的方法与普通的平面磁控溅射方法进行对比试验，试验情况描述如下：

溅射半导体硅薄膜：氩气工作气压3Pa，靶材和基片间距25mm，磁铁的直径50mm、磁感应强度1500高斯，射频溅射功率70瓦，薄膜的沉积速率是6.96nm/min。而在同样条件下用普通的平面磁控溅射，镀膜速率是2.4nm/min。

溅射金属铜薄膜：氩气工作气压0.5Pa，靶材和基片间距35mm，磁铁的直径50mm、磁感应强度3500高斯，射频溅射功率65瓦，薄膜的沉积速率是21.5nm/min。而在同样条件下用普通的平面磁控溅射，镀膜速率是7.3nm/min。

溅射金属铝薄膜：氩气工作气压0.5Pa，靶材和基片间距35mm，磁铁的直径50mm、磁感应强度3500高斯，射频溅射功率70瓦时薄膜的沉积速率是12.5nm/min。而用普通的平面磁控溅射，溅射功率70瓦时薄膜的沉积速率几乎为零。

溅射金属铁薄膜：氩气工作气压3Pa，靶材和基片间距25mm，磁铁的直径25mm、磁感应强度2000高斯，射频溅射功率150瓦，薄膜的沉积速率是19.8nm/min。而在同样条件下用普通的平面磁控溅射，镀膜速率是6.2nm/min。

溅射金属铜薄膜：氩气和氮气混合比例为8∶1，工作气压0.5Pa，靶材和基片间距25mm，磁铁的直径25mm、磁感应强度2000高斯，射频溅射功率150瓦，薄膜的沉积速率是45nm/min。而在同样条件下用普通的平面磁控溅射，镀膜速率是32nm/min。

反应溅射氮化铁薄膜：氩气工作气压3Pa，靶材和基片间距25mm，磁铁的直径25mm、磁感应强度2000高斯，射频溅射功率160瓦。普通磁控溅射得到的薄膜，需要再进行额外的热处理才能有氮化铁结晶和较好的磁性，而用本方法溅射得到的薄膜已经有很好的氮化铁结晶和更强的磁性。

Claims (2)

1.一种溅射镀膜方法，采用磁场辅助溅射方式镀膜，靶材和基片平行设置于两电极之间的电场中，靶材位于阴极表面，基片位于阳极，使靶材和基片之间形成等离子区，离子轰击靶材产生溅射，溅射出的靶材成分粒子沉积在基片上形成薄膜，其特征在于：所述靶材位于由永久磁铁或电磁铁产生的磁场中，磁场的方向垂直于靶材表面，磁场的强度沿靶材表面呈均匀或近均匀分布。

2.根据权利要求1所述的溅射镀膜方法，其特征在于：所述方向垂直于靶材表面设置的磁场的产生方法是，在阴极内设置永久磁铁或电磁铁，或在圆柱形阴极外侧设置电磁线圈，使整个靶材处于磁铁或线圈产生的磁场中，且靶材表面处的磁场的方向与靶材表面垂直。

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