《气离溅射离子镀制氮化钛.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《气离溅射离子镀制氮化钛.doc（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、气离溅射离子镀制氮化钛 作者：董骐等气离溅射离子镀制氮化钛 董骐(1)、罗蓉平、张守忠、杜建、钟钢、田凯、文学春、刘祥武 （北京丹普表面技术有限公司）GIMS ION PLATING OF TiN DONG Qi, LUO Rong Ping, ZHANG Shouzhong, DU Jian, ZHONG Gang, TIAN Kai, WEN Xuechun, LIU Xiangwu (ProChina Limited)ABSTRACT: In this paper a reactive ion plating method and system configuration of Gas
2、Ion source enhanced Magnetron Sputtering (GIMS) is presented in details. Especially a new idea of Separate GIMS is first raised to separate in space the MS metallic deposition process and gas ion bombardment chemical reaction process in a vacuum chamber, resulting in the long-time stability, repeata
3、bility and consistency in Separate GIMS reactive ion plating process. The best combination is that magnetron-sputtering sources are driven by medium frequency powers and the newly developed gas ion source is driven by a pulsed DC power. With this system high quality TiN deposition can be obtained. K
4、EYWORDS: GIMS, ion source, anode layer, sputtering, TiN, ion plating，medium frequency, pulsed DC.摘要：本文详细介绍了气体离子源增强磁控溅射（气离溅射）反应离子镀膜技术和系统配置。特别是首次提出空分气离 溅射的新概念，实现了磁控溅射金属镀膜过程和气体离子轰击化学反应过程在真空室内空间上的分离，从而保证空分气离溅射反应离子镀膜过程的长时间稳定性、重 复性和一致性。当磁控溅射源采用中频电源驱动、最新开发的气体离子源采用脉冲直流电源后，实现了最佳的设备组合，可镀制出高品质的TiN膜层。 中文关键词：气离溅
5、射、离子源、阳极层流、溅射、氮化钛、离子镀膜、中频、脉冲直流。(1) 董骐：男，1959年3月生，硕士，高级工程师；技术主管；通信地址：北京市海淀区三旗东路建筑涂料厂院内，邮编：100096，电话：010-82924110，传真：010-82923941，电子信箱： 1. 磁控溅射反应镀膜目前状况 磁控溅射一般被认为是一种工作稳定、沉积速率和镀膜均匀性容易控制、简单理想的金属蒸发靶源1-5。将磁控溅射技术应用到化学反应离子镀膜 上，由于反应性气体在工件表面反应成膜的同时，也会在磁控靶表面产生化学反应-靶面毒化，使得靶面上金属粒子的蒸发速率大幅度降低，反应气体相对富 余，进一步恶化磁控靶面的毒化
6、，形成一种正反馈式的雪崩过程，极不稳定。由于靶面毒化滞后恢复的（hysteresis）机理，上述过程一旦发生又不能简 单地逆向调整进行恢复，使得镀膜所需要反应气体和金属粒子的比例无法长时间稳定维持。一般认为反应磁控溅射离子镀膜过程的可控“窗口”很窄，几乎无法进行 工业上的生产应用6-7。 为了克服难题，前人已经采取了一系列措施，在减少靶面毒化和增强反应活性两方面取得了局部的进展：（a）增大真空抽气系统，保证在镀膜过程中，富 余的反应气体能够及时排出1,4,8，减慢雪崩过程的速度，以便及时相应调整；（b）采用非平衡闭合磁场磁控溅射对靶的布置结构，增加镀膜区域内的等 离子体密度9,10。由于磁控溅
7、射能够产生的离子数量有限，故对于反应活性的改善程度也有限；（c）增大磁控靶到工件的距离11，使得被镀工件上 的沉积速率降低，相应可以降低反应气体的分压强12,13。这一措施会降低真空室空间的利用率，还会降低镀膜区域的等离子体密度；（d）采用脉冲磁控 溅射放电和脉冲反应气体进气交替进行（SPA），可以在时间上“分离”金属靶面的溅射蒸发和工件表面化学反应的过程14,15。该机制理论上可行，但 是所需设备复杂昂贵，不易推广应用。 近年出现的中频电源驱动磁控对靶或者孪生靶可以达到类似“时间分开”的效果（Fig.1）。对于每一个磁控溅射靶，当处于负电压时段，工作电流是 对应直流磁控的两倍，相对于稳定不变
8、的反应气体，具有了更强的靶面抗毒化能力；在处于正电压时段，靶面只会受到电子的轰击，靶面毒化作用被抑制。同时，采 用中频磁控还可以避免毒化靶面产生电荷积累引起靶面电弧打火的问题16，以及镀制绝缘膜层时出现的阳极（真空室壁）消失问题17。中频电源的两个 输出端分别接在磁控溅射对靶的各自电极上，电源输出一定频率（40-80kHz）的交变正弦波或者方波，一对磁控溅射靶则交变地成为阴极（溅射）和阳极 （熄灭）。这一系统简单可靠，不需要任何附加的监测和控制。中频电源驱动磁控溅射对靶或孪生靶已经逐渐成为主流之一。 （e）在真空室中一个磁控靶用于大量溅射金属粒子，另一个极端非平衡严重毒化的磁控靶主要用于产生反
9、应气体离子。两边分别产生的等离子体汇聚增强，在工件表面上生长出好的反应膜层6。 在上述主动控制技术取得进展的同时，人们也在探索实时监测与反馈快速控制技术：（f）引入等离子体荧光监测（PEM），及时掌握真空室中金属或反 应气体的数量，快速反馈控制反应气体进气量，以达到金属和反应气体粒子在工件表面上的适当比例18-20。该技术会导致监测和快速控制系统的复杂化和 成本的极大提高，而且也无法应用到多对磁控靶的系统上。因为各个磁控溅射源的工作状况不可能完全一致，使得调整单一反应气体进气量的方式无法实施。（g） 检测磁控靶工作电压判断磁控靶的毒化程度，以间接确定金属粒子的溅射速率，进而快速控制反应气体进气
10、量21,22。该方法只适用于靶面毒化与工作电压 变化关系明显的镀膜过程，对于其他镀膜（如TiN）则无能为力。（h）有人也考虑采用残留气体分析技术（RGA），测量反应气体分压强。但是RGA的工作 真空环境与磁控溅射的镀膜真空相差太大，难以在线实时进行。2. 矩形气体离子源 根据反应离子镀技术理论，1(e)中描述的方法具有突破意义。在磁控溅射产生的金属离子密度难以大幅度增加的情况下，可以离化反应气体，增强气体 粒子的活性。在相同的反应镀膜情况下，反应气体的进气量就可能相应减少，有利于降低磁控靶面毒化的程度，展宽反应溅射镀膜过程的控制窗口。因此，人们开始 采用气体离子源（GIS）产生反应气体等离子体
11、，代替1(e)中提到的深度毒化非平衡磁控源。为了和磁控溅射系统完全兼容地工作，气体离子源应满足以下技 术条件： 1) 无灯丝、无空心阴极、无热阴极、无栅极，气体离子源上不产生金属溅射污染。绝缘性能强、使用寿命长、极少维护需要； 2) 矩形结构，与矩形磁控溅射源尺寸完全匹配，并向真空室镀膜区域均匀布气； 3) 适用于任何惰性和反应性气体，以及它们的混合气； 4) 在磁控溅射的真空范围内，离子源能够正常稳定放电工作；离子源需的进气量要符合磁控溅射源的工作条件； 5) 端法兰结构密封，方便安装。360度任意调整布气方向； 6) 采用普通直流电源驱动，或采用脉冲直流电源驱动。 根据以上技术要求，丹普公
12、司自行开发研制了阳极层流型矩形气体离子源（LISE830/102）（Fig.2）。 该矩形离子源通过靶体（导磁金属）将磁场聚集在跑马场形状出气缝隙处（类似磁控溅射源），用于束缚电子在阳极表面附近形成高密度的等离子体区域， 产生气体离子。这些离子在阴极和阳极之间的电场作用下，通过靶面出气缝隙向外加速飞出，形成大范围分布均匀的离子束流。 工作气体直接通入靶体，由出气缝隙进行均匀布气和离化。该源采用内装结构，靶体和阳极分别水冷，下端内法兰密封，所有冷却水、进气口和电极接头都在端法兰上，安装方便（Fig.3）。 该离子源独立工作时，一般电压在550-750V之间，主要受离子源进气量和环境真空度的影响。
13、进气量越大，真空度越低，放电电压也相应降低。放 电电流可以随意平滑调节。最大电流随着离子源线性长度相应增大。对于缝隙长度为560mm的矩形气体离子源，在丹普公司的AS360Lab型试验机上，工 作电流可达到5A以上。在0.16 Pa以下的真空条件下，气体进气量几乎没有低限；真空度进入10-2 Pa的较高真空度后，气体进气量需要增加，一般在100sccm以上。 另一重要的特点是，该气体离子源的电压直接施加在离子源阳极和被镀工件之间。从离子源狭缝飞出的气体离子直接由离子源电源获取动能轰击到工件表面，因此对于磁控溅射镀膜过程不再需要单独的工件偏压电源，降低了系统的电源成本。 按照目前常规方法，气体离
14、子源和工件偏压分别由两个独立电源施加，对于工件表面上的电弧打火两个电源不能同步灭弧动作，很容易造成灭弧失效损坏工件。采用这里全新提出的单电源驱动方式后，上述严重问题迎刃而解。3. 汇聚和空分气离溅射 气体离子源的布气方向与磁控溅射镀膜区域重叠（Fig.4），类似于1(e)中描述的情况。气体离子源对反应气体进行离化和布气，在离子源电源电 场的作用下，大量气体离子获得动能（温度）飞向工件表面，产生轰击作用，从而有效地增强了磁控溅射的反应离子镀膜效应。另外，在反应镀膜过程中气体离子轰 击工件，表面上不稳固的离子被轰落，而膜层结构则被“夯实”，更加致密和平滑。这一汇聚气体离子源增强磁控溅射离子镀膜简称
15、为汇聚气离溅射反应离子镀膜 （Focus GIMS reactive ion plating）。该技术应用在类金刚石（DLC）镀膜中，取得了令人鼓舞的结果24。 当气体离子源单独放电工作时，阳极上施加了几百伏的正电压（550-750v），气体离子源产生的等离子体具有高的正电位（Fig.5中的Up2）；而磁控溅射源产生的等离子体则呈现低的正电位（Up1）。当两种源同时工作，两边的等离子体汇聚，发生等离子体耦合，电位相互拉近（Up1+2）。 同时也影响到气体离子源的工作正电压和磁控溅射源的工作负电压相向降低。各自减小的程度决定于两种源工作功率（电流）的相对大小。离子源功率大些，离子源 工作电压下降少些，磁控源电压下降多些，反之亦然。Fig.5中的阴影部分反映了等离子体的耦合程度。在工件或真空室壁附近，等离子体已近完全融合，电位 一致，阴影宽度窄；分别在离子源和磁控靶面附近，等离子体远离基本没有融合，电位差很大，阴影宽度大。 对于中频磁控溅射系统，由于其电极接线，与气体离子源电极接线完全隔离，等离子体耦合的强度相对弱些。然而，与气体离子源等离子体的相互作用的基本趋势和规律完全类似。 在同一气离溅射镀膜系统上，将气体离子源布气方向转离开磁控溅射靶的镀膜区域（Fig.6），实现了磁控溅射金属镀膜过程和气体离子源
