period第23卷 第1期 西 安 工 业 学 院 学 报 V ol123 N o11 2003年3月 JOURNA L OF XIπAN I NSTIT UTE OF TECH NO LOGY Mar.2003
不同磁控溅射模式膜厚均匀性研究Ξ
惠迎雪，杭凌侠，徐均琪，陈伟
(西安工业学院光电科学与工程系，陕西西安710032)
摘 要: 使用磁控溅射和非平衡磁控溅射方法，在玻璃基底上沉积钛膜.实验了在同等工艺条件下平衡和非平衡两种不同的工作模式对膜厚均匀性的影响.结果表明，靶基距是影响磁控溅射薄膜厚度均匀性的重要工艺参数，在一定范围内，随着靶基距的增大，膜厚分布均匀性有提高的趋势；磁场分布是影响两种磁控溅射膜厚分布差异的主要因素；非平衡磁控溅射膜厚均匀性随附加励磁线圈电流改变而变化.
关键词: 磁控溅射；非平衡磁控溅射；均匀性；靶基距
中图号: O48415 文献标识码: A 文章编号: 100025714(2003)0120032205
Study on the thickness uni formity of films deposited by magnetron
sputtering or unbalanced magnetron sputtering
XI Ying-xue,H ANG Ling-xia,XU Jun-qi,CHEN Wei
(Dept of Instr Engr,X i’an Inst of T ech,X i’an710032,China)
Abstract: The titanium(T i)films were deposited on glass substrates by magnetron sputtering and unbalanced magnetron sputtering respectively.In same sputtering condition,the effect on the thickness uniformity of films prepared by balanced or unbalanced magnetron systems are studied.The results show:the thickness uniformity of films was im proved with the increa of distance between target and substrate;the distribution of magnetic field is an im portant fact that have effect on the uniformity of films thickness;the thickness uniformity of films deposited by unbalanced magnetron systems varies with changes of the current of the additional field coil.
coquiK ey Words: magnetron sputtering;unbalanced magnetron sputtering;thickness uniformity of films;distance between target and substrate
如何提高膜层的均匀性是磁控溅射技术工艺研究的重点之一.许多薄膜工作者对此进行了广泛的研究[1～2].但是，这些研究大多集中在平衡模式磁控溅射薄膜均匀性的研究，对非平衡磁控溅射膜厚分布问题探讨的较少.本文通过对磁控溅射和非平衡磁控溅射方法制备的T i膜膜厚分布的研究，讨论了各有关工艺参数对薄膜均匀性的影响，并比较了在同等
Ξ收稿日期:2002209230
questionable作者简介：惠迎雪(1974-)，男(汉族)，西安工业学院硕士研究生.
工艺条件下，磁控溅射技术和非平衡磁控溅射技术镀制膜层均匀性的差别，从理论上对其进行解释.
1 理论分析
磁控溅射由于磁控磁场的作用，能将等离子体限制在靶的表面，在低气压下充分起辉，并且，它具有高的溅射率.非平衡磁控溅射技术是在磁控溅射的基础上，改变阴极磁场，使得通过磁控溅射的内、外两个磁极端面的磁通量不相等，磁力线在同一阴极靶面内不形成闭曲线，从而可将等离子体扩展到远离靶处，使基片浸没其中，在基片表面形成大量的离子轰击，直接干涉基片表面的成膜过程，从而改善了薄膜的性能[3].为了简化问题，根据磁控溅射原理，可以据文献[4]对磁控溅射系统物理模型作如下假设:
(1)被溅射出的薄膜原子离开靶表面的角分布为余弦分布，根据不同的靶材，它可以低
于余弦和高于余弦分布，用cos N (θ
)表示,N 为实数.图1 磁控溅射示意图Fig.1 Magnetron sputtering (2)在高真空条件下，被溅射粒子与工作
扬州补习气体的碰撞可以忽略不计，被溅射的粒子直接
从靶的表面飞向基片，其沉积在基片上的几率
反比于其路径长度.
(3)根据磁控溅射靶的刻蚀现象与磁控溅
射的关系[5]，假设磁控溅射系统的溅射率与磁
控磁场在靶表面的水平分量成正比.
图1是磁控溅射靶和基片相对位置的示意
adjustable图.图中靶基距为H ，靶上面元d A 距靶中心距
离为r ，溅射速率P (r )是靶面位置函数，基片上
面元d B 距基片中心(0,0)的坐标为(x ,y )，基
片与靶是平行的.由上面的假设条件，胡作启
等[4]给出了基片表面上B 点处的薄膜厚度
T =∫
ρ(r )cos N +1(θ)d A πρL 3(1)式中d A =r sin (β)d r d βL 2=H 2+x 2+y 2+r 2-2r (x cos (β
)+y sin (β))cos (θ
)=H
L ρ为靶材的密度;L 是被溅射的粒子直接从靶飞向基片的路径长度.
需要指出的是，对于靶上面元一点,P (r )=A 0H (r )，其中A 0是与靶的化学和物理性能、磁控溅射功率等有关的系数;H (r )是靶表面水平磁场分布函数.
基片表面上B 点的相对厚度
33第1期 惠迎雪等：不同磁控溅射模式膜厚均匀性研究
T 0=H
N +1∑∫∫P (r )sin (β)d r d βL N +4(2)
由(1)式,(2)式可知，磁控溅射系统的磁场状况，靶材溅射原子角分布，磁控溅射系统的几何和工艺参数都是影响薄膜厚度均匀性的因素.
2 实验方法2.1 实验设备及工艺
本文实验所用镀膜设备为白俄罗斯所产的ВУ-700型镀膜机，该设备有外置式磁控溅射源，可以用平衡和非平衡两种模式工作，磁控溅射阴极靶材为纯钛，溅射源在非平衡模式下工作时属于2型非平衡磁控阴极.磁控源电源的最大工作功率10kW .
2.2 膜层制备
实验的内容主要是考查靶基距和磁控溅射的两种不同工作模式对膜厚均匀性的影响.使用平衡和非平衡磁控溅射在玻璃基片上镀制T i 膜，玻璃尺寸180mm ×40mm ，其中心位置与靶面在一条直线上.实验中本底真空为5×10-3Pa 时，工作气体为氩气，气分压为6×102Pa ，工作真空度为2.2×10-1Pa ，真空度和气体流量分别由真空计和气体流量计来调节和控制.磁控溅射源的工作电压设定为410V ，靶电流为10A ，其工作模式由附加励磁线圈电流来控制，当线圈不工作时，磁控溅射源工作在平衡模式下，
当磁空溅射源在非平衡模式工作时，为比较励磁线圈电流对膜厚均匀性的影响，线圈电流在60～160A 范围内调节.为比较靶基距对膜厚均匀性的影响，基片位置在85～225mm.
2.3 膜厚分布的测量
对于金属T i 膜来说，当其厚度较薄时，膜厚d 与透射率T 有以下关系[6]
园丁集T ≈(1-R )2exp (-αd )
式中,R 为样品反射系数;α为样品的吸收系数,α=4
πk/λ(k 是钛膜的消光系数,λ是入射光的波长).从(3)式可知，当薄膜较厚时透射率低.也就是说，簿膜厚度的分布的相对范围可以通过薄膜的透射率的大小来反映.实验中，我们采用WC D 型测微光度计测量薄膜的透射率，并以透过率的大小来确定膜厚均匀范围.膜厚均匀误差范围分别设定为5%和10%，相应地所测透射率误差范围分别为3.2%和6.4%，分别得到平衡模式和非平衡模式下磁控溅射靶基距与薄膜厚度分布关系的曲线(图2)以及非平衡磁控溅射下附加励磁线圈电流与薄膜厚度分布关系曲线(图3).
3 试验结果及讨论
3.1 磁控溅射靶基距与薄膜厚度分布的关系
从图2可以看出，无论是平衡模式还是非平衡模式，在一定范围内，随着靶基距的增大，薄膜厚度均匀性都有提高的趋势.靶基距的增大即溅射原子飞向基片的路径长度L 增大(其它工艺条件都保持不变).从(1)式和(2)式知,L 的增大会使基片上各点沉积薄膜的相对厚度降低，而且也会使靶的刻蚀对膜厚均匀性的影响逐渐变小.同时，靶基距的增大还会4
3 西 安 工 业 学 院 学 报 第23卷
使得被溅射的T i 原子与Ar 原子或Ar +的碰撞的几率增大,T i 原子的散射运动使薄膜的沉积速率有下降的趋势，因此，靶基距是影响薄膜厚度的均匀性范围重要因素.
在相同工艺条件下，非平衡模式下制备的T i 膜相对于平衡模式下制备的T i 膜膜厚分布存在很大的差异：在非平衡模式下，靶与基片距离较近时(85～110mm )，膜厚均匀范围变化不大但均匀性较差，而在靶基距较远时(155～205mm )，膜厚均匀范围较稳定且均匀性较好；而在平衡模式下，随着靶基距的变化，膜厚均匀范围变化很大.这是因为在非平衡模式下，磁控溅射源的附加励磁线圈会产生一个附加磁场，在这个附加磁场的作用下,
溅射系统
图2 不同模式靶间距与膜厚均匀范围的关系Fig.2 Relation between thickness uniformity of films and distance between target and substrate
的磁场与平衡模式相比会发生很大的不同，而磁场的不同会对膜层的均匀性产生影响.首
先，由于附加磁场的作用，非平衡模式靶面磁控磁场的最大水平场强不同于平衡模式靶面的最大水平场强，因而两种模式的溅射速率也是不同的.其次，在镀膜的过程中，入射靶面的离子在不同的磁场控制下其入射方向会发生变化，相应地溅射原子的角分布也会不同[7]，而溅.第三，非平衡磁控溅射在附加磁场的作用下能有效地约束其等离子体，在一定的磁场强度作用下带电粒子沿着磁力线作回旋账动，形成高密度的等离子体束流[8].高密度等离子体束的存在使得更多的离子讳击靶材，沉积速率大幅度提高.同时，在镀膜过程中溅射的靶材原子与等离子体中离子的碰撞也会增强，碰撞的结果会使一部分溅射原子被离化，产生的离子在电场和磁场的控制下运动，对膜图3 线圈电流与膜均匀性关系Fig.3 Thickness uniformity and coil current
厚均匀性产生影响，而这种影响又和基片所处位置的水平
磁场强度有关，如果水平场强过大将会不利于膜厚均匀性
的提高.
3.2 励磁线圈电流与薄膜厚度分布关系
由于非平衡磁控磁场的附加磁场由励磁线圈电流来
cutest调制，因而线圈电流的大小影直接影响着磁场的分布.如
图3所示，在靶基距为165mm 时，线圈电流太大或太小，膜
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siyuan层的膜厚均匀性都较差，而当励磁电流在100～120A 时,
膜层的膜厚均匀性最好，这是附加线圈励磁电流对磁场进
行调制的结果：当线圈电流较小时，磁场的大小是由线圈
电流产生的附加磁场和由永久磁铁产生的固定磁场的矢量迭加决定的，而当线圈电流较大53第1期 惠迎雪等：不同磁控溅射模式膜厚均匀性研究 royalblue
时，磁场的大小则主要受到附加磁场的影响，显然，磁场的大小会随线圈电流的大小而改变，而等离子体密度分布主要是受磁场的大小影响的，因此薄膜的沉积速率随着线圈电流的变化而变化，相应地膜厚均匀性也会随附加线圈电流变化而变化.
4 结论
靶基距是影响磁控溅射薄膜厚度均匀性的重要工艺参数，薄膜厚度均匀性在一定范围内随着靶基距的增大有提高的趋势；磁场分布的不同是平衡和非平衡两种磁控溅射模式膜厚分布差异的主要因素，也是影响非平衡磁控溅射膜厚均匀性的重要因素；非平衡磁控溅射模式下，膜厚均匀性随附加励磁线圈电流改变而变化.
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