掃描式磁控濺射設備及工藝研究

范江華，胡凡，彭立波，程文進，佘鵬程，毛朝斌

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111)

掃描式磁控濺射設備及工藝研究

范江華，胡凡，彭立波，程文進，佘鵬程，毛朝斌

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111)

介紹了一種掃描式雙腔連續(xù)生產型磁控濺射鍍膜設備，通過研究不同濺射壓強、濺射功率密度下金屬薄膜的沉積速率以及沉膜均勻性，實驗結果表明在濺射壓強0.3 Pa、濺射功率密度9 W/cm2的條件下沉積TiW薄膜的沉膜速率約41.5 nm/min，均勻性低于4%；沉積Cu薄膜的沉膜速率約95.2 nm/min，均勻性低于3%，符合電子器件鍍膜工藝需求。

磁控濺射；薄膜；工藝實驗；掃描；沉積

磁控濺射沉積技術具有沉膜密度高、附著力強、基片溫度低、薄膜損傷小、沉膜材料范圍廣泛等特點，同時制備裝置簡單且適合于大面積薄膜生產，是制備光學薄膜、超硬薄膜、耐磨薄膜、磁性薄膜、裝飾用薄膜以及金屬導電薄膜的常用手段，因此被廣泛應用于光學元件、航空發(fā)動機、磁性存儲器、微電子器件以及集成電路等領域[1-2]，是電子工業(yè)鍍膜生產中最主要的技術之一。

針對電子工業(yè)鍍膜工藝生產要求，本文報道了一種自動上下料、沉膜尺寸大于300 mm兼容不規(guī)則基片的生產型磁控濺射鍍膜系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用臥式雙腔結構，通過工件盤裝載基片水平掃描加矩形靶濺射相結合實現大尺寸、高均勻性的沉膜工藝要求，設備配備多個磁控濺射靶槍且涵蓋直流和射頻濺射，因此可快速沉積單層金屬、半導體薄膜以及多層復合薄膜。本文在介紹磁控濺射系統(tǒng)構成以及工藝流程的基礎上，將重點對不同濺射氣壓、濺射功率密度對沉積薄膜的影響進行分析。

1 系統(tǒng)構成

磁控濺射系統(tǒng)通常由真空腔室、陰極濺射靶、基片運動系統(tǒng)、真空獲得系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。為滿足電子工業(yè)鍍膜高效率生產，掃描式磁控濺射系統(tǒng)設計了雙高真空腔室（如圖1所示）和雙層基片架結構，通過基片架的升降來實現預真空室與濺射工藝室通斷，從而實現濺射室工藝過程中預真空室裝卸片來進行連續(xù)生產，提高薄膜制備效率。

圖1 掃描式磁控濺射系統(tǒng)雙高真空腔室示意圖

濺射靶是體現磁控濺射設備水平的關鍵部件，沉膜均勻性指標、濺射率、沉膜的品質都與濺射靶有關。為滿足多層薄膜工藝需求，本系統(tǒng)設計了4個陰極濺射靶以及清洗加熱裝置，同時在各靶安裝法蘭間設計有隔斷裝置，工藝時擋板機構會運動至工藝靶位，其兩旁的濺射靶會被擋板和隔斷裝置封閉，有效防止各靶材之間的相互污染。同時各工藝靶位在對基片進行鍍膜工藝前，可以進行預濺射，對靶材進行預清洗。此外，濺射還設計了跑道型增強式磁場，能夠有效提高薄膜沉積均勻性[3-5]，同時濺射靶的水冷背板直接與陰極冷卻水接觸，可對濺射過程中靶材進行好的散熱，可實現大功率濺射，提高薄膜沉積效率（如圖2所示）。

2 工藝流程

圖2 矩形平面磁控濺射靶的跑道型磁場

薄膜沉積工藝流程以及工藝參數選擇對薄膜質量、沉積效率至關重要，通常情況下，基片表面存在一定程度的污染，因此在基片裝載之前，采用乙醇、丙酮等進行超聲清洗，待高純N2吹干放入基片架，隨后打開閥門和真空泵抽預真空室真空，待真空度優(yōu)于1×10-4Pa時，掃描小車取下裝載基片的基片盤到射頻清洗工位進行清洗，二次處理基片表面污染，提高薄膜與基片的附著力，清洗完成后，載片小車運動到沉積工位，隨后啟動陰極濺射靶進行預濺射，預濺射完成后，載片小車開始掃描沉積薄膜，薄膜沉積完成后，載片小車運動到卸片工位卸片，卸片完成后，載片小車取下裝片架的工件盤再次進行薄膜沉積。工藝流程圖如圖3所示。

3 實驗及結果分析

薄膜沉積速率是體現磁控沉積設備沉積效率的重要指標，在基底、薄膜材料、靶基距一定的情況下，薄膜沉積速率主要由濺射氣壓、濺射功率密度決定[6，7]，因此結合理論與實驗掌握最佳的濺射功率和氣壓等工藝參數對于磁控濺射設備的有效利用以及改進提供依據。

圖3 磁控濺射沉積工藝流程示意圖

3.1 濺射氣壓對沉膜速率的影響

磁控系統(tǒng)由于真空腔體、抽氣速率、氣體有效利用率、真空檢測方式以及位置不一，因此不同壓強下的沉積速率會有所不同。為尋求相對較優(yōu)的鍍膜真空，采用單變量法，在恒定濺射功率密度（5 W/cm2）以及其他工藝參數相同的情況下以不同濺射壓強（0.1～1.0 Pa）分別沉積TiW和Cu薄膜，所得樣品采用臺階儀測試薄膜厚度，計算得到的TiW和Cu的沉積速率，如圖4所示。

圖4 不同工藝壓強下TiW和Cu的沉積速率

由圖4可知，TiW、Cu的沉積速率隨著濺射氣壓的增加呈現出先逐步增大后減小的趨勢，這是因為濺射氣壓是由濺射氣體Ar的流量所決定，而Ar流量的大小影響著等離子體密度以及被濺射粒子的平均自由程。粒子的平均自由程公式：

其中，λ為微觀粒子的平均自由程，K為波爾茲曼常數，T為濺射時氣體反應溫度，d為微觀粒子的直徑，P為濺射時氣體壓強。通過分析可知，在一定的濺射氣壓范圍內，當濺射溫度一定時，濺射氣壓較低，被濺射粒子的平均自由程越大，此時濺射粒子沉積到襯底的概率較大，隨著濺射氣壓逐漸變大，等離子體密度增加，被轟擊的靶原子總數在增加，因此被薄膜沉積速率呈現增大的趨勢；當濺射氣壓增加一定程度時，由于粒子的平均自由程變短，粒子沉積到襯底的幾率大幅度減小，從而薄膜沉積速率又呈現出減小的趨勢。此外，由于TiW和Cu的粒子尺寸不同，被濺射出來粒子的平均自由程也不一樣，因此TiW在0.3 Pa的濺射壓強下沉積速率上升到最大值，而Cu則是0.5 Pa的濺射壓強下沉積速率達到最大。

3.2 濺射功率密度對沉膜速率影響

同等條件下，濺射靶能承受的有效濺射功率密度越大，同種薄膜材料沉積速率越快，相應的生產效率越高。為探索不同濺射功率密度下薄膜的沉積速率以及濺射靶所能承受的最大濺射功率密度，在濺射壓強為0.3 Pa、沉積時間為20 min等工藝參數相同的條件下，通過逐步增加功率密度沉積薄膜，所制備的樣品經測試計算得到的不同濺射功率密度下TiW、Cu薄膜的沉積速率如圖5所示。由圖可知隨著濺射功率密度的提高，薄膜沉積速率呈現線性增加的趨勢，當濺射功率增加到7 W/cm2后，沉積速率增加明顯放緩，可能是在濺射功率密度較大時，靶材溫度提高，濺射粒子能量相應增加，部分高能濺射粒子出現一定程度的擴散現象，在膜層與基片表面形成偽擴散層，使得膜層更加致密，從而使得沉積在基片薄膜厚度增加速率減小。當濺射功率密度到9 W/cm2時，TiW薄膜的沉積速率約41.5 nm/min，Cu薄膜的沉積速率約95.2 nm/min；當濺射功率超過9 W/cm2時，濺射靶出現短路現象。

3.3 沉膜均勻性

薄膜沉積均勻性是衡量薄膜質量的重要指標，為探索均勻性高且沉積速率快的濺射條件，我們對不同功率密度下的薄膜沉積樣品進行了厚度測試，每個樣片測試了9個點。圖6給出了不同功率密度下沉積20 min所得TiW、Cu薄膜的厚度，采用的公式：

圖5 不同濺射功率密度下薄膜沉積速率

其中，S為薄膜沉積均勻性，Tmax為單片基片測試點測試薄膜厚度數據最大值，Tmin為單片基片測試點測試薄膜厚度數據最小值。

經計算所得均勻性結果如表1所示，可知不同功率密度下沉積Cu膜的均勻性優(yōu)于TiW薄膜，可能是因為TiW濺射粒子相對分散，從而在一定程度上影響了TiW薄膜的均勻性。多次試驗結果表明TiW沉膜均勻性均在4%以內，Cu沉膜均勻性在3%以內，優(yōu)于傳統(tǒng)磁控濺射設備。

圖6 不同濺射功率密度下沉積TiW、Cu膜的厚度

表1 不同濺射功率密度下沉積TiW、Cu膜的均勻性

5 總 結

本文介紹了一種掃描式磁控濺射設備，通過一系列工藝試驗及檢測表明：設備配置的陰極磁控濺射靶可施加功率密度高達9 W/cm2，在9 W/cm2、工藝壓強為0.3 Pa時，TiW沉積速率約為41.5 nm/min，薄膜厚度均勻性低于 4%，Cu沉積速率約為95.2 nm/min，薄膜厚度均勻性低于3%，滿足電子工業(yè)薄膜制備工藝需求。

[1] P.J.Ke11y，J.Hisek，Y.Zhou，et al.Advanced coatings through pulsed magnetron sputtering[J].Surface Engineering，2004，20(3)：157-162.

[2] P.J.Ke11y，R.D.Arne1l.Magnetron sputtering：a review of recent developments and applications[J].Vacuum，2000，56(4)：159-172.

[3] 劉翔宇.磁控濺射鍍膜設備中靶的優(yōu)化設計[D].北京：清華大學電子工程系，2004.21-34.

[4] 邱清泉，勵慶孚，Yu Jiao，等.矩形平面直流磁控濺射裝置端部磁場分析[J].中國電機工程學報，2006，26 (25)：119.

[5] E.Shidoji，M.Nemoto，T.Nomura.An anomalouserosion of a rectangular magnetron system[J].J VacSciTechnol：A，2000，18(6)：2858-2863.

[6] S.Mahieu，G.Buyle，D.Depla，et al.Monte Carlo simulation ofthe transport of atoms in DC magnetron sputtering[J].Nuclearinstruments and methods in physics research B，2006，38(5)：243.

[7] Yamamura Y，Ishida M.Monte Carlo simulation of the thermalizationof sputtered atoms and reflected atoms in the magnetronsputtering discharge[J].J.Vac.Sci.Technol，1995，A13(1)：101.

Research of Scanning Magnetron Sputtering Equipment and Production Technology

FAN Jianghua，HU Fan，PENG Libo，CHENG Wenjin，SHE Pengcheng，MAO Chaobin

(The 48thResearch Institute of CETC，Changsha 410111，China)

This paper introduced a kind of scanning magnetron sputtering coating equipment with dual cavity that couldproduce continuously.The deposition rate and uniformity of metallic thin film were studied under different sputtering pressure and sputtering power density.When the sputtering pressure was 0.3 Pa and sputtering power density was 9 W/cm2，the experimental results showed that the deposition rate of TiW thin filmwas about 41.5 nm/min，the uniformity was less than 4%，and Cu thin filmis about 95.2 nm/min，the uniformity is less than 3%.Therefore，the device met the requirements of electronic device coating.

Magnetron sputtering；Thin film；Processing experiments；Scanning；Deposition

TN305.92

B

1004-4507(2017)04-0039-05

范江華（1990-），男，助理工程師，主要從事微電子工藝設備整機研制工作。先后參加了磁控濺射鍍膜機、離子束刻蝕機、RIE等設備的研發(fā)。

2017-04-06