平面磁控濺射薄膜厚度均勻性的研究概述

　　在平面磁控濺射鍍膜系統(tǒng)中，薄膜厚度均勻性作為衡量薄膜質(zhì)量和成膜系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，得到了國內(nèi)外學(xué)者們的廣泛研究。本文以膜厚分布的理論模型為出發(fā)點(diǎn)，從工藝條件及模型參數(shù)兩個(gè)方面，對靶與基片的位置關(guān)系、基片的運(yùn)動方式、靶材的形狀、濺射功率、工作氣壓、工作模式等各種影響以及改善薄膜厚度均勻性的因素進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納和陳述。最后對平面磁控濺射鍍膜系統(tǒng)膜厚分布的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)并提出了展望。

　　早在20 世紀(jì)30 年代中期，薄膜應(yīng)用已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。薄膜技術(shù)主要包括薄膜的制備技術(shù)和薄膜材料的研究，薄膜的制備技術(shù)又稱為鍍膜技術(shù)。在各種濺射鍍膜技術(shù)中，磁控濺射技術(shù)是最重要的物理氣相沉積方法之一，它在等離子體產(chǎn)生、維持以及效率方面與其他技術(shù)相比都有了很大的改進(jìn)，較易獲得沉積速率更高，致密性與結(jié)合力更好的薄膜，因此在機(jī)械、光學(xué)和電子行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。然而，該系統(tǒng)下靶材的利用率比較低，通常低于30%，沉積速率和薄膜厚度均勻性是影響薄膜性能的重要因素，也直接影響了薄膜器件的功能。近三十年來，為了研究磁控濺射鍍膜系統(tǒng)膜厚分布情況，相關(guān)領(lǐng)域研究人員進(jìn)行了大量的工作。

　　根據(jù)上述文獻(xiàn)，本文對平面磁控濺射薄膜厚度的理論計(jì)算模型進(jìn)行了闡述，根據(jù)改善膜厚均勻性的手段進(jìn)行了分類和討論：從實(shí)驗(yàn)條件方面改善工藝條件包括改變靶基距、濺射功率以及工作氣壓等；理論基礎(chǔ)方面分別通過改變靶與基片的位置關(guān)系、靶材的形狀、基片的運(yùn)動方式、膜厚分布的算法等方面因素，其中靶與基片的位置關(guān)系包括靶與基片的距離、靶與基片的角度關(guān)系，靶材形狀分為圓形和矩形以及不規(guī)則形狀等，基片的運(yùn)動方式包括純自轉(zhuǎn)系統(tǒng)和公自轉(zhuǎn)系統(tǒng)兩種情況，計(jì)算膜厚分布的方法分為積分和有限元網(wǎng)格劃分兩種算法；最后討論了沉積過程對膜厚均勻性的影響，沉積過程的研究主要基于Monte- Carlo 模型和流體模型進(jìn)行求解。下面首先提出計(jì)算所需的物理和數(shù)學(xué)模型，然后以模型為出發(fā)點(diǎn)，分節(jié)對各種方法進(jìn)行深入討論。

1、磁控濺射膜厚計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

　　對于膜厚分布計(jì)算公式的研究，基本模型為基片與靶平面平行，如圖1 所示，圖中陰極靶與基片的垂直距離為h。設(shè)P 為基片上任一點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x, y)。ds 為P 點(diǎn)的微小面元。Q 為濺射跑道區(qū)內(nèi)一點(diǎn)(x', y')，dσ 為Q 點(diǎn)的微小面元。由X. Q. Meng，Gnaedinger 等人闡述，此類平面磁控濺射鍍膜系統(tǒng)膜厚分布的討論是建立在下面4 個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上的：

　�、� 假定濺射離子是垂直入射到靶面的，離子入射角為0。

　�、� 由于在跑道區(qū)域內(nèi)部磁場最強(qiáng)，且二次電子和高度離化的氣體分子被緊緊束縛在里面，因此假設(shè)濺射過程中的刻蝕現(xiàn)象僅僅發(fā)生在跑道上，圓形靶（刻蝕環(huán)半徑r1~r2 之間），矩形靶（矩形環(huán)內(nèi)部）。

　�、� 認(rèn)為被濺射出來的薄膜原子離開靶面的角度分布為余弦指數(shù)分布。

圖1 平行同軸平面磁控濺射示意圖　　圖2 傾斜非同軸平面磁控濺射示意圖

3、結(jié)束語與展望

　　平面磁控濺射沉積薄膜厚度均勻性的影響因素很多，本文對靶- 基距、基片運(yùn)動方式、靶材形狀、磁控濺射內(nèi)部磁場和刻蝕情況等方面原因進(jìn)行研究和概述。得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

3.1、工藝方面

　　調(diào)整工藝參數(shù)可以改善膜厚的均勻性，比如增加靶- 基距，增加濺射功率、適當(dāng)?shù)脑黾忧惑w氣壓，膜厚分布均勻性在一定程度上有提高的趨勢。

3.2、理論模型方面

　　（1）比較了共軸與非共軸兩種情況的平面磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，對于傾斜非同軸平面磁控濺射，可以求解出最優(yōu)的傾斜角與傾斜位移使得膜厚分布更加均勻。

　�。�2） 靶材形狀的不同，直接改變了相對厚分布的積分形式。通過在靶上挖孔和增加擋板的方法也可以調(diào)整膜厚均勻性。

　�。�3）基片的運(yùn)動方式也是膜厚分布的重要影響因素，其中公- 自轉(zhuǎn)磁控濺射鍍膜系統(tǒng)可以提高濺射效率，薄膜厚度均勻性與公- 自轉(zhuǎn)角速度比例有直接關(guān)系。

　�。�4）沉積過程對膜厚分布有重要的影響，其中包括將蒙特卡羅和流體兩種模型結(jié)合起來對磁控濺射內(nèi)部等離子體能量和運(yùn)動機(jī)理的模擬。

　　（5）對于其他的磁控濺射系統(tǒng)，例如平衡與非平衡兩種工作模式，由于磁場分布不同，膜厚均勻性影響因素也不同。

　　理論模型的計(jì)算和分析是工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)，為了更加精確地研究膜厚度的分布情況，討論沉積過程中的等離子體放電和運(yùn)動情況則更為重要。總的來說，對于平面磁控濺射鍍膜系統(tǒng)膜厚均勻性的討論需要從以下三個(gè)方面努力，一方面是對物理過程的深刻理解，建立物理模型，第二個(gè)方面是對物理過程的合理近似，建立可以在有限條件下求解的數(shù)學(xué)模型，第三方面是實(shí)驗(yàn)和工藝方面的具體實(shí)施。應(yīng)該說，一般科學(xué)或工程上的問題都可以通過上述三個(gè)過程來進(jìn)行定性和定量的分析，理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，構(gòu)成解決問題的完美模式。然而，對于磁控濺射裝置的膜厚控制，無論理論研究還是實(shí)驗(yàn)研究，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要廣大的科技工作者繼續(xù)努力。