CN115595544A - 检测金属靶材溅射性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测金属靶材溅射性能的方法，其特征在于包括以下步骤：1)将靶材安装在磁控溅射设备的相应位置，采用恒流模式溅射；2)靶材表面污染物、氧化物等去除：开启设备，在设置好的工艺参数TP下对靶材进行T1时长的溅射刻蚀，消除靶材表面的污染物、氧化物；3)连续溅射镀膜：在上述工艺参数TP下进行T1时长的溅射刻蚀后，再进行连续溅射镀膜。对于需要检测的同一批靶材而言，只需要取一个靶材进行磁控溅射，将得到的溅射电压‑溅射时间曲线与标样曲线进行比对，用溅射靶材的溅射电压变化规律来定量评定靶材的溅射性能，可以综合反映晶粒度和表面形貌的交互影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测金属靶材溅射性能的方法。
背景技术
近几十年，电子半导体行业发展迅速，对磁控溅射靶材的需求不断扩大，优良性能的靶材已成为支撑半导体行业发展的重要产业。
磁控溅射镀膜系统是在基本的二极溅射系统基础上发展而来，解决了二极溅射镀膜速度比蒸镀慢很多、等离子体的离化率低和基片热效应明显等问题。磁控溅射镀膜系统在阴极靶材背后设置强力磁铁，当靶材与零电位腔体之间施加一个外加电场后，靶材表面就形成一个正交的电磁场。在较低的真空腔体中充入惰性气体氩气时，电子在电磁场的作用下被拘束在靶材表面作回旋运动，与氩气分子发生碰撞产生Ar+离子和电子，靶材表面即产生辉光放电现象。电子在靶面水平磁场的作用下在靶面做回旋运动，其自由程增加，提高了与氩气分子的碰撞电离而产生Ar+的概率，与没有磁控管的直流二级溅射相比其溅射产额显著提高。电子与氩气分子的多次碰撞降低了自身的能量最终落在基片、真空室内壁及靶源阳极上。Ar+自身的质量较电子更大，在电场的加速下撞击靶材表面，使得靶材原子脱离靶材表面而飞向腔体空间，部分沉积在已放置好的基片表面而形成薄膜。
不同晶粒尺寸和表面粗糙度的磁控溅射靶材溅射性能相差很大，因晶界溅射速率比晶内快，晶粒较细的靶材单位体积晶界所占比例就多，溅射产生更多的靶材原子并释放更多的二次电子，使得靶面等离子体浓度更大。不同表面粗糙度的靶材相同溅射工艺条件下，因表面微观凹凸的差异，引起靶面的电流密度分布不均匀，电荷容易在靶材表面的尖棱、凹槽边沿、孔洞边缘等区域产生电荷富集而优先被溅射，以及相近凹凸峰对溅射出的粒子的阻挡，也会造成溅射特性的区别。因此，靶材晶粒尺寸和表面粗糙度对于靶材的溅射性能有着非常重要的影响，通常而言，靶材晶粒尺寸越小以及表面粗糙度越低，靶材的磁控溅射性能越好，而靶材晶粒尺寸越大或者表面粗糙度越粗，靶材的磁控溅射性能越差，最终影响镀膜的质量，但是对于类似于晶粒尺寸大小和表面粗糙度高低的交互影响，其磁控溅射性能好坏就难以评价，而传统的晶粒尺寸和表面粗糙度各自采用不同的检测方法，费时费力。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种检测金属靶材溅射性能的方法，靶材的溅射性能检测准确、快捷。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种检测金属靶材溅射性能的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将靶材安装在磁控溅射设备的相应位置，采用恒流模式溅射；
2)靶材表面污染物、氧化物等去除：开启设备，在设置好的工艺参数TP下对靶材进行T1时长的溅射刻蚀，消除靶材表面的污染物、氧化物；
3)连续溅射镀膜：在上述工艺参数TP下进行T1时长的溅射刻蚀后，再进行时间为T2连续溅射镀膜，磁控溅射系统自动保存溅射镀膜过程中溅射电压的变化数据；
4)绘制靶材溅射电压-溅射时长曲线：将多个不同晶粒尺寸和表面粗糙度的靶材重复1)～3)过程，绘制每个靶材的溅射电压-溅射时间变化曲线；以镀膜性能合格为标准，根据多个靶材的溅射电压-溅射时间变化曲线，确定靶材稳定溅射阶段溅射电压的范围B0和达到稳定溅射阶段溅射电压B0所需的时间t0；
5)待测靶材溅射性能检测：在上述工艺参数TP下，进行步骤1)～3)，得到其相应的溅射电压-溅射时长的变化曲线，确定稳定溅射阶段溅射电压B和达到稳定溅射阶段溅射电压值B所需的时间t，判断B是否在B0范围内以及t是否小于t0以评价待测靶材的溅射性能；
上述步骤1)～5)中，所述靶材为相同材质。
作为优选，所述靶材为Cu靶，工艺参数TP设定为：Ar气流量为15～30sccm，Cu靶电流为1.5～3.5A，本底真空度为1.5～2.5×10-5Toor，T1时长为5min～30min，T2时长为1min～360min。
与现有技术相比，本发明的优点在于：靶材溅射产生的等离子体密度与溅射电压关系密切，在恒电流模式下，控制系统会自动调节靶电压维持靶的溅射电流稳定在设定值，以保证等离子体中Ar+的浓度恒定，即轰击靶材的能量恒定，从而保证镀膜速度和薄膜质量，因此溅射电压与镀膜质量有内在的关联。而溅射电压又与靶材晶粒度、表面形貌特征等多种因素密切相关。与传统单独检测靶材晶粒尺寸以及表面粗糙度等来评定靶材的溅射性能，本发明将不同晶粒尺寸和表面粗糙度的靶材进行磁控溅射，绘制不同晶粒尺寸、表面粗糙度的靶材溅射过程中溅射电压-溅射时间的变化曲线，即标样曲线，对于需要检测的同一批靶材而言，只需要取一个靶材进行磁控溅射，将得到的溅射电压-溅射时间曲线与标样曲线进行比对，用溅射靶材的溅射电压变化规律来定量评定靶材的溅射性能，可以综合反映晶粒度和表面形貌的交互影响。
对于具有不同粗糙度和表面形貌的特定材质的靶材，以镀膜性能合格为标准，确定溅射电压的范围和达到稳定溅射阶段溅射电压值所需的时间；位于该范围值之内的靶材，即可评定为合格。因此，对于未知晶粒度和表面粗糙度的靶材，只要重复步骤1)～3)，获得溅射电压与溅射时间T(s)的变化曲线，然后测定待评价靶的稳定溅射电压值，判断是否位于合格范围值之内，以及达到稳定溅射阶段溅射电压所需的时间是否小于阈值，即可判断该靶的溅射性能是否合格。
附图说明
图1为本发明实施例中靶材在磁控溅射设备上的布置示意图。
图2为本发明实施例中多个靶材的溅射电压-溅射时间曲线。
图3本发明待测靶材1的溅射电压-溅射时间曲线。
图4本发明待测靶材2的溅射电压-溅射时间曲线。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
以检测Cu靶材溅射性能为例，具体步骤如下：
1)采用UDP-650型非平衡磁控溅射设备靶材布置示意图如图1所示，将所要溅射的6N的高纯135mm*345mm的矩形Cu靶材，安装在图1的1靶位置进行溅射，厚度为7mm，采用恒流模式溅射；
2)靶材表面污染物、氧化物等去除：开启设备，在设置好的工艺参数TP下对靶材进行T1(5min～30min)时长的溅射刻蚀，以清除靶材表面的污染物、氧化物；工艺参数TP为：Ar气流量25sccm、靶电流2A、本底真空度2.0×10-5Toor；
3)连续溅射镀膜：在上述工艺参数TP下进行连续溅射镀膜，磁控溅射系统自动保存溅射过程中溅射电压的变化数据，连续溅射时长T2为1min～360min；
4)绘制溅射电压-溅射时间之间的变化曲线:将10个不同晶粒尺寸和表面粗糙度的靶材重复1)～3)过程，绘制溅射电压-溅射时间之间的变化曲线；10个靶材的晶粒度和粗糙度Ra(见图2的右侧)以及对应的溅射电压-溅射时间变化曲线见图2所示；
以镀膜性能合格为标准，根据10个靶材的溅射电压-溅射时间变化曲线，确定靶材稳定溅射阶段溅射电压的范围B0为450-480V之间，达到稳定溅射阶段溅射电压值B0所需的时间t0为400s。理论上而言，靶材选用的越多，得到的B0范围以及t0更为准确，因此，在其它实施方式中，可以选用更多的靶材确定B0和t0；
6)待测靶材溅射性能检测：在上述工艺参数TP下，进行步骤1)～3)，得到其相应的溅射电压-溅射时间变化曲线，确定稳定阶段溅射电压B和达到稳定溅射阶段溅射电压值B和所需的时间t，判断B是否在B0范围内以及t是否小于t0来评价待测靶材的溅射性能；
待测靶材1的溅射电压-溅射时间变化曲线见附图3，稳定溅射阶段溅射电压B为470V，达到稳定溅射阶段溅射电压值B所需的时间t为360s，B在B0范围内以及t小于t0，溅射性能合格。
待测靶材2的溅射电压-溅射时间变化曲线见附图4，稳定溅射阶段溅射电压B为485V，达到稳定溅射阶段溅射电压值B所需的时间t为500s，B不在B0范围内，t也大于t0，溅射性能不合格。
Claims (2)
1.一种检测金属靶材溅射性能的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将靶材安装在磁控溅射设备的相应位置，采用恒流模式溅射；
2)靶材表面污染物、氧化物等去除：开启设备，在设置好的工艺参数TP下对靶材进行T1时长的溅射刻蚀，消除靶材表面的污染物、氧化物；
3)连续溅射镀膜：在上述工艺参数TP下进行T1时长的溅射刻蚀后，再进行连续溅射镀膜，磁控溅射系统自动保存溅射镀膜过程中溅射电压的变化数据，连续溅射镀膜总时间为T2；
4)绘制靶材溅射电压-溅射时长曲线：将多个不同晶粒尺寸和表面粗糙度的靶材重复1)～3)过程，绘制每个靶材的溅射电压-溅射时间变化曲线；以镀膜性能合格为标准，根据多个靶材的溅射电压-溅射时间变化曲线，确定靶材稳定溅射阶段溅射电压的范围B0和达到稳定溅射阶段溅射电压B0所需的时间t0；
5)待测靶材溅射性能检测：在上述工艺参数TP下，进行步骤1)～3)，得到其相应的溅射电压-溅射时间变化曲线，确定稳定阶段溅射电压B和达到稳定溅射阶段溅射电压值B和所需的时间t，判断B是否在B0范围内以及t是否小于t0来评价待测靶材的溅射性能；
上述步骤1)～5)中，所述靶材为相同材质。
2.根据权利要求1所述的检测靶材溅射性能的方法，其特征在于：所述靶材为Cu靶，工艺参数TP设定为：Ar气流量为15～30sccm，Cu靶电流为1.5～3.5A，本底真空度为1.5～2.5×10-5Toor，T1时长为5～30min，T2为1～360min。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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