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不同溅射方法薄膜制备的理论计算及特性研究

于贺  
【摘要】:在常用的薄膜制备方法中,溅射沉积技术是重要的制备技术之一。该技术虽然应用广泛,但是目前制备出的电子薄膜还存在一些问题需要解决,如薄膜的均匀性、成分控制、通孔沉积、薄膜缺陷等。无论是薄膜制备的工艺成本还是工艺参数,都还有很多可以优化的因素。本文从理论模型和实验研究两个方面,提出和验证了直流磁控溅射、直流反应溅射、高功率脉冲磁控溅射以及离子束溅射四种溅射工艺中优化薄膜特性的具体方法,进行了一系列的探索性和创新性的工作,具体包括: 1.在理论模型方面,建立公自转磁控溅射系统的薄膜沉积模型,分别使用解析法和数值法两种方法计算基片上各点的沉积时间分布,并得到基片上各点在公-自转过程中的膜厚分布。最后计算膜厚均匀性的相对偏差,分析讨论公转(rev)与自转(rot)转速比rev/rot对膜厚均匀性的影响。此外,建立了传统自转磁控溅射系统的薄膜沉积模型。经比较发现,当rev/rot等于0.6时,膜厚均值相对偏差Gt可以达到0.0256;而传统沉积模型所得的膜厚偏差约为0.1936。实验中使用最佳公-自转转速比以及传统自转模式分别制备Ni-Cr金属薄膜。发现公自转转速比rev/rot等于0.6的时候,相对偏差为0.0224;纯自转系统薄膜厚度的相对偏差为0.1431。通过使用模型中计算的最佳公自转转速比制备薄膜,膜厚均匀性得到提高。 2.通用的反应溅射模型仅仅适用于单一组分化合物的情况,本文提出一种针对多组分化合物薄膜的反应溅射模型,以氧化钒(VOx)为例,考虑了氧化钒薄膜中同时含有VO和V2O5两种价态化合物的因素。通过修正后的模型推导出溅射过程中薄膜沉积速率、不同组分含量与气体流量的函数关系,并仿真了反应溅射的滞回效应曲线。此外,建立时间响应模型,从中获得预溅射和溅射两个过程中靶电压、靶面各成分含量随时间的变化关系;对比实验中监控的靶电压曲线,实验与理论计算结果相吻合,由此验证了理论模型。通过模型的计算,可以对反应溅射氧化钒的工艺参数进行控制,减少反应溅射的滞回效应以及在一定程度上达到预测薄膜的组分的目的。 3.针对于高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS),设计了不同的磁场位形,主要包括闭合与非闭合磁场、不同磁场强度(“200G”,“500G”,“800G”)、不同跑道宽度(“500G”,“500G_Wide”)、“螺旋”结构等。使用有限元分析软件COMSOL对不同磁场位形中的平行磁场强度|//|分别进行计算。实验中,采用可调型磁极板分别搭建了所设计的几种磁场位形。通过三探针法对不同磁场位形进行了等离子体诊断,得到电子温度Te,电子密度ne以及等离子体悬浮电位Vf随时间、空间的变化曲线。使用栅网式离子分析仪对沉积薄膜的金属离化率进行了测量。研究表明,不同磁场位形直接影响了薄膜离化率以及等离子体的分布、扩散方向和扩散速度。“800G”的位形中,等离子更倾向于向Z方向扩散,而不容易进行平行于磁场方向的扩散。与之相反,“200G”位形中的等离子体容易向各个方向扩散。在磁场强度相同的情况下(500G),宽磁场跑道的位形(“500G_Wide”)由于具有更宽的刻蚀面积而产生更高的放电电流和密度更高的等离子体。此外,设计了几种非闭合磁场位形,通过对实验中的放电特性曲线分析得知脉冲磁控溅射还是需要闭合的磁场来约束电子在跑道附近的运动。另外提出一种类似螺旋结构的磁场位形,实验证实该设计可以在放电电流不变(即溅射速率不变)的情况下,提高靶材的利用率。实验中发现随着脉冲电压的增加,高密度的等离子体可以电离更多的金属原子,从而得到更高的薄膜离化率。然而当磁场强度从200G增加到800G,离化率从60%降到30%左右。原因在于强磁场位形中,脉冲放电结束后仍然持续的强等离子体鞘层抑制了离子向基片方向的扩散。最后测量了不同磁场(“200G”、“500G”、“800G”)位形下MPP电源的薄膜离化率。通过比较HIPIMS、DC和MPP三种电源所制备薄膜的离化率大小,得到的结论是HIPIMS所制备薄膜的离化率远远高于其它两种电源。 4.在离子束溅射的实验中找到了极紫外(EUV)光刻技术中反射掩模Si-Mo多层膜中缺陷的产生原因。通过SEM观察靶面,发现一种类似于小山丘的凸起形貌。我们认为离子束溅射到凸起上会存在一定的概率将其溅射成小块并飞向多层膜中形成缺陷。实验方面,研究了Si和Ru两种靶材,在不同溅射角度θ (0°,35°,54°,75°)时的靶面形貌。结果表明,该形貌与溅射角度的大小有直接关系。随着角度的增加,“山丘”的长度增长。同时发现,Si靶面比Ru靶面更容易生成“山丘”形貌。实验中将溅射角度在0°和54°之间交替变化,证实可以通过此法避免靶面图案的形成。在理论模型方面,使用Tridyn code和SRIM软件,研究了溅射时被靶面反射出来的Ar+对多层薄膜的作用。还对Si和Ru两种材料不同溅射角度(0°-90°)和溅射能量(50-1200eV)的溅射产额分别进行了计算。此外,使用2D和3D蒙特卡洛算法追踪离子束溅射的迭加过程,仿真不同溅射角度的离子束溅射后两种材料的靶面形貌图,并得到SEM表征中观察到的“山丘”形貌。该物理模型还对实验中使用的0°和54°两种角度交替溅射的情况进行了计算。最后在上述模型中引入角度分散的因素,考虑到实际离子束入射到靶面时,并不是百分之百的平行射线,而是具有一定偏转角度误差范围的一组射线群。计算得到最大偏转角度为α时靶面溅射后的形貌图,很好的解释了实验中观察到的现象,通过模型的预测,可以对实验参数进行优化,进而降低多层膜中出现缺陷的概率。


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