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1、二○○五年·第六期综述与专论3磁控溅射技术进展及应用(下)徐万劲(北京大学物理学院北京100871)摘要近年来磁控溅射技术的应用日趋广泛,在工业生产和科学研究领域发挥巨大作用。随着对具有各种新型功能的薄膜需求的增加,相应的磁控溅射技术也获得进一步的发展。本文将介绍磁控溅射技术的发展,以及闭合磁场非平衡溅射、高速率溅射及自溅射、中频及脉冲溅射等各种新技术及特点,阐述磁控溅射技术在电子、光学、表面功能薄膜、薄膜发光材料等许多方面的应用。关键词磁控管溅射率非平衡磁控溅射闭合场非平衡磁控溅射自溅射213直流溅射(DCMagnetronS
2、puttering)、射频溅射(RFMagnetronSputtering)、脉冲溅射(PulsedMagnetronSputtering)和中频溅射(MediumFre2quencyMagnetronSputtering)直流溅射和射频溅射(f=13156MHz)是很早就开始应用的溅射技术,在二极溅射系统中已经被采用,直流溅射方法用于被溅射材料为导电材料的溅射和反应溅射镀膜中,其工艺设备简单,有较高的溅时间(μs)射速率。而对陶瓷等介质材料靶,则只能采用射频图8中频脉冲溅射电源的输出波形磁控溅射方法沉积薄膜,射频磁控溅射方法能
3、对任在薄膜性能上有重大的提高,脉冲的频率和占空比何材料包括各种导体、半导体和绝缘介质进行溅射根据介质化合物的性质可以改变。镀膜。中频交流磁控溅射在单个阴极靶系统中,与脉直流反应溅射则可以使用导体及高掺杂半导体冲磁控溅射有同样的释放电荷、防止打弧作用。中材料作为靶材,沉积介质薄膜,有较高的溅射速率。频交流溅射技术还应用于孪生靶(Twin2Mag)溅射系但是反应溅射沉积介质薄膜过程中,通常会出现阳统中,中频交流孪生靶溅射是将中频交流电源的两极消失、阴极中毒、放电打弧问题,破坏了等离子体个输出端,分别接到闭合磁场非平衡溅射双靶的各的稳
4、定性,使沉积速率发生变化,导致溅射过程难以自阴极上(见图4a,b),因而在双靶上分别获得相位控制,限制直流反应磁控溅射技术在介质膜的应用。相反的交流电压(见图9),一对磁控溅射靶则交替成近几年来发展起来的脉冲溅射和中频溅射技术可以在反应溅射绝缘介质薄膜的过程中,释放靶表面积累的电荷、防止放电打弧的现象,并具有溅射速率快、沉积速率高等优点。脉冲磁控溅射(10～350kHz)已经成为公认的作为绝缘材料沉积的优选2,33的工艺过程,该技术使用的脉冲电源输出电压波形是非对称的双极性脉冲(见图8),脉冲电源的正时间(μs)向脉冲对于释放靶
5、表面的积聚的电荷、防止打弧是图9中频交流孪生靶溅射的A和B双靶上的工作波形有效的,脉冲工作方式在沉积中提供稳定无弧的工为阴极和阳极。孪生靶溅射技术大大提高磁控溅射作状态。最近的研究表明脉冲的磁控管放电也能够运行的稳定性,可避免被毒化的靶面产生电荷积累,导致比连续的直流放电更热、更高能等离子体。脉引起靶面电弧打火以及阳极消失的问题,溅射速率冲磁控溅射扩大沉积材料的范围,3硅基发光研究项目得到国家自然科学基金委员会光电重大计划重点项目90201037资助5现代仪器(www.moderninstrs.org.cn)二○○五年·第六期3
6、4高,为化合物薄膜的工业化大规模生产奠定基础。的相似测量条件下测量的数值。上述这些结果表此外也有采用中频脉冲电源作为孪生靶溅射电源。明,脉冲溅射技术的优越性不仅仅在于反应溅射沉孪生靶溅射系统成为目前化合物薄膜溅射镀膜生产积介质材料,而且能够改进一些不同类型材料沉积24,35,361的理想技术。最近在中频电源上又提出短脉冲薄膜的性质。组合的中频双向供电模式,进一步提高运行稳定性。214高速率溅射(HighRateMagnetronSputtering)P1J1Kelly等用脉冲磁控溅射方法研究反应溅和自溅射(SustainedSe
7、lfSputtering)1,20射氧化铝薄膜性质,一个20KHz的脉冲电源连接实现高速率溅射和自溅射是近几年来溅射技术38到一台标准的直流磁控管驱动电源上,脉冲波形为关注和研究的一个方向,高速率溅射和自溅射可非对称双极性脉冲(见图8),用直流反应溅射作为以缩短溅射镀膜的时间,提高工业生产的效率;有可对比。与预期的情况一样,直流反应溅射Al2O3薄能替代目前对环境有污染的电镀工艺;被溅射材料膜非常困难,整个沉积过程一直发生电弧放电,并且的离子化而导致从离子生成薄膜;被溅射材料粒子过程非常不稳定。而脉冲溅射方法过程十分稳定,的电离
8、以及减少甚至取消惰性气体,将明显地影响在靶表面上几乎没有看到电弧放电的情形。扫描电薄膜形成的机制,加强沉积薄膜过程中合金和化合子显微镜(SEM)测量照片表明直流溅射薄膜是颗粒物形成中的化学反应。由此可能制备出新的薄膜材状、多孔的结构;脉冲溅射的薄膜则十分致密、结
