直流磁控濺射的工藝參數對鋁膜沉積速率的影響
直流濺射功率對Al 膜沉積速率的影響
圖1為不同濺射功率下Al膜的沉積速率。實驗時濺射功率的變化范圍為2000～3000W,其他工藝參數相同:濺射氣壓為0.5Pa;靶基距80mm;Ar氣流量為170sccm,基片溫度為130℃。由圖1可以看出,隨著直流功率的增大,在2～2.4kW范圍內,沉積速率幾乎成線性增加,這是因為在濺射鍍膜過程中,基片上的沉積速率與濺射率成正比關系。但是2.4kW之后沉積速率的增加率明顯變小而隨后趨于平緩。這種非線性增加的轉變,可以解釋為: 隨著濺射Ar+離子能量的持續增大產生了“離子注入效應”的現象,這種效應使部分離子深入到晶格內部,將絕大部分的能量消耗在靶材內部而不是靶材的表面。
圖1 Al薄膜沉積速率與直流濺射功率之間的關系
濺射氣壓對薄膜沉積速率的影響
圖2 是Al薄膜沉積速率與濺射氣壓之間的關系曲線。實驗中濺射氣壓的變化范圍為0.3～0.9Pa,其它參數相同:濺射功率為2600W;靶基距80mm; Ar氣流量為170sccm,基片溫度為130℃。
從圖2 看出,濺射氣壓從0.3Pa 增大到0.4Pa的過程中,沉積速率隨之增大;在0.4Pa時,沉積速率達到一個極大值,此后沉積速率隨著濺射氣壓的增大而下降。這種現象的產生可以解釋為:
圖2 Al 薄膜沉積速率與濺射氣壓之間的關系
由氣體分子運動論可知,氣體分子平均自由程與壓強有如下關系：
式中λ為氣體分子平均自由程,k為玻耳曼常數,T為氣體溫度,d為氣體分子直徑,p為壓強。在保持氣體分子直徑和氣體溫度不變的條件下,如果工作壓強增大,則氣體分子平均自由程將減小,濺射原子與氣體分子相互碰撞次數將增加,二次電子發射將增強。由氣體放電理論可知,電流密度j0與湯生第三電離系數γ和陰極位降區厚度dc的關系為：
其中ε0是真空中的介電常數,μi是離子的遷移率,Vc是陰極位降。由上面的分析可知,壓強增大時,二次電子發射將增強,那么γ就增大,同時dc將隨之減小。根據式(2),當γ增大、dc減小時,電流密度j0增大,因此放電加強,濺射能力增強,沉積速率就會增大。當工作氣壓過大時,沉積速率會減小,原因有兩點: 第一,隨著Ar氣分子的增多,濺射原子與Ar氣分子的碰撞次數大量增加,這導致濺射原子能量在碰撞過程中大大損失,致使粒子到達基片的數量減小,沉積速率下降。第二,由于氣體分子平均自由程減小,濺射原子的背散射和受氣體分子散射的幾率增大,而且這一影響已經超過了放電增強的影響。濺射原子經多次碰撞后會有部分逃離沉積區域,基片對濺射原子的收集效率就會減小,從而導致了沉積速率的降低。
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