硅薄膜磁控溅射工艺研究
硅薄膜磁控溅射工艺研究[20200408094710]
摘 要
社会进步的同时，材料科学也飞速地发展。近年来，各种薄膜也应着科学技术的更新换代，推动着产业的拓宽膨胀，现今薄膜技术已普及渗透到各个领域。
本文主要研究磁控溅射仪JGP-450的运作原理和实践操作方法，探索薄膜材料的性质。设计了三项实验来熟悉镀膜流程，实验中均采用氩气作为气体放电的载体。最关键的抽真空步骤，最终决定着薄膜的纯净度和厚度，完成后（2.0×10-3Pa级）开始镀膜。实验主题为：分别为以单晶硅、多晶硅为衬底，溅射高纯度的单晶靶材，或二次溅射氮化硅薄膜，制得三种不同的非晶硅薄膜。最后实验制得的非晶硅薄膜样本，通过SEM直观地观察薄膜结构，并在XRD上测定观察晶体结构。
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关键字:磁控溅射薄膜材料溅射设备非晶硅薄膜
目 录
1. 绪论 1
1.1 磁控溅射的研究意义和背景 1
1.2 磁控溅射技术介绍 1
1.2.1 二级溅射 1
1.2.2 传统磁控溅射与非平衡磁控溅射 2
1.2.3 脉冲磁控溅射（PMS） 2
2. 溅射法和磁控溅射法的原理特点介绍 3
2.1溅射法的几种方式 3
2.1.1 射频溅射 3
2.1.2 直流溅射 4
2.1.3 反应溅射 4
2.2磁控溅射法 5
2.2.1 磁控溅射法的原理 5
2.2.2 磁控溅射法的特点 5
2.3本章小结 6
3. 磁控溅射制备的薄膜材料 7
3.1 薄膜材料的应用 7
3.2 影响薄膜性能的溅射条件 8
3.3 薄膜材料的生长机制 8
3.4 薄膜材料的缺陷 9
3.5 薄膜材料的致密度 10
4. 溅射实验的研究 11
4.1 磁控设备及操作 11
4.2 实验步骤 17
4.3 实验分析 18
结束语 22
参考文献 23
致 谢 24
1. 绪论
1.1 磁控溅射的研究意义和背景
磁控溅射的开端是阴极溅射。自格洛弗于1852年发现后，由此便拉开了磁控溅射的序幕。直至二十世纪四十年代，这项发现才逐步成长到可以制取薄膜。因为在二十世纪七十年代以前，磁控溅射的沉积率相对很低，但是薄膜蒸渡的反应速率是溅射的十倍，于是蒸渡技术在工业生产中更为常见。在很长的一段时间内，溅射镀膜的技术都在工业化生产的竞争中处于弱势地位。直至美国完成了在集成电路中镀制钽膜，WEC和Bell Laboratories一起协作完成十米长的连续镀膜装置。溅射的产业化推广也在1963年初具了些规模。而直到1974年，钱平采用的平衡磁控溅射的方法实现了快速率但是低温度地溅射操作，从此磁控溅射以更加蓬勃的状态前进[1]。磁控溅射技术最近几十年的飞速发展离不开薄膜应用的推广，如今薄膜的应用覆盖了人们的生活，并不断扩展着。
随着科技生活化，薄膜对人类社会的推动力量与日俱增。于是磁控溅射这项技术也在迅猛的发展，并在镀膜领域占据着愈加重要的作用。薄膜产业的迅速崛起，伴随着人们日益增高的要求，磁控溅射也在会在科学和生产上不断进步。在生产化的比拼中，同等环境中相对于物理蒸发沉积，无论在效率或是薄膜的质量厚度上，磁控溅射都展现着超凡的竞争力。
1.2 磁控溅射技术介绍
磁控溅射的薄膜沉积受溅射功率、沉积气压和衬底的材料温度等影响。实验环境为必须在真空室中通入0.1到10pa的惰性气体（如氩气或氙气）。真空环境中，气体原子受到电场的作用分解，并使得中性气体原子中的电子获能，摆脱原子核的束缚转而变成自由电子，电压作用下的电子加速飞向基片，而正一价气体离子受电场力效应获得了能量，以高速轰击靶材并产生了溅射，靶原子或分子沉积在衬底上构造薄膜[2]。
1.2.1 二级溅射
二级溅射（如今的直流溅射），是所有溅射的开端，不仅适用于薄膜沉淀，也定义了其他溅射沉淀方法的基本原理和方式分类。作为发展初期的二级溅射，它的结构较为简单，易于控制，重复性也好。但是限制了其在工业上的推广并且被取代的原因是：溅射气压高，电压也高，溅射的速率小，并且镀膜中基体升温快，对薄膜的质量非常不利。但是，如今二级溅射仍然被运用在了研究溅射的项目中。
1.2.2 传统磁控溅射与非平衡磁控溅射
溅射的方法更替变化经历了好几个时代，非平衡磁控溅射便是一项非常重要的发现。与传统溅射中电子被严密地控制在某区域内，限制了大面积的镀膜相比，直到1985年“非平衡磁控溅射”的理念被最初的提出来，顺利解决了之前传统溅射中的矛盾。以真空室电流密度大于2mA/cm2为前提，工业上也可以开始大面积的镀膜了。很快的，几年后的非平衡系统（CFUBMS）以更有效的方式控制了电子。原理是：靶与非平衡结构之间构建了磁场系统，非常高效率地提高了真空室内的等离子体密度利用率，更达到工业生产上大规模覆盖的目的，奠定了后来的磁控溅射的方法。
1.2.3 脉冲磁控溅射（PMS）
PMS (脉冲磁控溅射)就是以矩形波、脉冲电源溅射制备隔热膜。同时为了不损伤薄膜的结构性能，PMS在10-200KHZ的脉冲波条件下溅射，能有效克服很多矛盾，制得高效高品质、无缺陷的金属薄膜与隔热薄膜。
这项技术的发明使得磁控溅射又提高了一个层次，启发了又一个影响薄膜性能的重要因素。主要原因是中频电源在中频对靶中磁控溅射，可以完美解决其他镀膜方式中两个最大问题：绝缘材料靶的阳极消失和靶中毒。这种方法也常常被运用于反应溅射，还解决了反应溅射中的直流反应溅射的一些缺陷，如异常的电弧放电在电解质材料和绝缘材料中常常发生。PMS直接影响了膜的质量，提高了膜的稳定性、减少了缺陷，使得反应溅射真正成为溅射的重要手段!
2. 溅射法和磁控溅射法的原理特点介绍
2.1溅射法的几种方式
2.1.1 射频溅射
前文中提及了关于绝缘或是非金属材料为基底时，工业上采用提高电源电压来弥补基底导电性不强的缺点。所以，用交流电溅射，也就是射频溅射，试用于各种靶材（包括导电性不强的非金属靶）。
使用在交流电源溅射时，只有频率大于50kHz或是更高频的电源才会产生区别于普通溅射的影响。与直流溅射最大的差异是，交流电的两级一周期内的电位会互换两次，于是电场交互转换导致阴极溅射可以在两块衬底上同时发生，提高了溅射的效率。但是当频率增加到大于50kHz，在两电极之间的等离子体中，电子不断震荡获得了更多的能量，致使更多电子碰撞更多的气体分子，引发气体电离，产生的二次电子同时又反过来积极推动了反应的进程，更多实验显示，尽管在1Pa左右的低压下进行的高频段的溅射，溅射速是相当高的。其次，高频的电场还允许由其他形式的衬底材料耦合反应。因此，最大优势是不必再限制于靶材的电导性质。
其次，该方法可以产生射频自偏压效应并对目标材料影响，溅射发生过程中，目标将是在负电位状态，直接促进气体离子的轰击效应。射频溅射设备的组合结构如图2.1所示。
图2.1 射频溅射装置图
2.1.2 直流溅射
直流溅射是溅射技术的开端，它同时也被叫做阴极溅射、二级溅射。直流电压下发生反应的一般条件是：电压不小于3kV，工作气压大于等于10Pa，靶电流密度至少为0.5mA/cm2，沉积速率小于0.1μm/min。如上文直流溅射的原理所说，溅射的设备较为简单，但是一些缺点也限制了直流方法的后续发展。实验的简要步骤是：真空室内，靶材作为阴极。首先便是根据电离规真空计显示的镀膜室真空度，完成实验要求的本底真空度。充入惰性气体（如氩气），在0.1-10Pa气压下，接通外加直流电压，阴阳两极之间的惰性气体原子直接电离(如氩离子与电子)，自由电子在电场作用下加速飞向阳极[4]，氩粒子撞击溅射靶材，靶材表面的靶面原子飞向衬底。少数高速离子会轰击气体原子产生二次电子，循环放电。而被轰击出的原子沉积成薄膜。直流溅射设备图如图2.2所示。
图2.2 直流溅射装置
摘 要
社会进步的同时，材料科学也飞速地发展。近年来，各种薄膜也应着科学技术的更新换代，推动着产业的拓宽膨胀，现今薄膜技术已普及渗透到各个领域。
本文主要研究磁控溅射仪JGP-450的运作原理和实践操作方法，探索薄膜材料的性质。设计了三项实验来熟悉镀膜流程，实验中均采用氩气作为气体放电的载体。最关键的抽真空步骤，最终决定着薄膜的纯净度和厚度，完成后（2.0×10-3Pa级）开始镀膜。实验主题为：分别为以单晶硅、多晶硅为衬底，溅射高纯度的单晶靶材，或二次溅射氮化硅薄膜，制得三种不同的非晶硅薄膜。最后实验制得的非晶硅薄膜样本，通过SEM直观地观察薄膜结构，并在XRD上测定观察晶体结构。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:磁控溅射薄膜材料溅射设备非晶硅薄膜
目 录
1. 绪论 1
1.1 磁控溅射的研究意义和背景 1
1.2 磁控溅射技术介绍 1
1.2.1 二级溅射 1
1.2.2 传统磁控溅射与非平衡磁控溅射 2
1.2.3 脉冲磁控溅射（PMS） 2
2. 溅射法和磁控溅射法的原理特点介绍 3
2.1溅射法的几种方式 3
2.1.1 射频溅射 3
2.1.2 直流溅射 4
2.1.3 反应溅射 4
2.2磁控溅射法 5
2.2.1 磁控溅射法的原理 5
2.2.2 磁控溅射法的特点 5
2.3本章小结 6
3. 磁控溅射制备的薄膜材料 7
3.1 薄膜材料的应用 7
3.2 影响薄膜性能的溅射条件 8
3.3 薄膜材料的生长机制 8
3.4 薄膜材料的缺陷 9
3.5 薄膜材料的致密度 10
4. 溅射实验的研究 11
4.1 磁控设备及操作 11
4.2 实验步骤 17
4.3 实验分析 18
结束语 22
参考文献 23
致 谢 24
1. 绪论
1.1 磁控溅射的研究意义和背景
磁控溅射的开端是阴极溅射。自格洛弗于1852年发现后，由此便拉开了磁控溅射的序幕。直至二十世纪四十年代，这项发现才逐步成长到可以制取薄膜。因为在二十世纪七十年代以前，磁控溅射的沉积率相对很低，但是薄膜蒸渡的反应速率是溅射的十倍，于是蒸渡技术在工业生产中更为常见。在很长的一段时间内，溅射镀膜的技术都在工业化生产的竞争中处于弱势地位。直至美国完成了在集成电路中镀制钽膜，WEC和Bell Laboratories一起协作完成十米长的连续镀膜装置。溅射的产业化推广也在1963年初具了些规模。而直到1974年，钱平采用的平衡磁控溅射的方法实现了快速率但是低温度地溅射操作，从此磁控溅射以更加蓬勃的状态前进[1]。磁控溅射技术最近几十年的飞速发展离不开薄膜应用的推广，如今薄膜的应用覆盖了人们的生活，并不断扩展着。
随着科技生活化，薄膜对人类社会的推动力量与日俱增。于是磁控溅射这项技术也在迅猛的发展，并在镀膜领域占据着愈加重要的作用。薄膜产业的迅速崛起，伴随着人们日益增高的要求，磁控溅射也在会在科学和生产上不断进步。在生产化的比拼中，同等环境中相对于物理蒸发沉积，无论在效率或是薄膜的质量厚度上，磁控溅射都展现着超凡的竞争力。
1.2 磁控溅射技术介绍
磁控溅射的薄膜沉积受溅射功率、沉积气压和衬底的材料温度等影响。实验环境为必须在真空室中通入0.1到10pa的惰性气体（如氩气或氙气）。真空环境中，气体原子受到电场的作用分解，并使得中性气体原子中的电子获能，摆脱原子核的束缚转而变成自由电子，电压作用下的电子加速飞向基片，而正一价气体离子受电场力效应获得了能量，以高速轰击靶材并产生了溅射，靶原子或分子沉积在衬底上构造薄膜[2]。
1.2.1 二级溅射
二级溅射（如今的直流溅射），是所有溅射的开端，不仅适用于薄膜沉淀，也定义了其他溅射沉淀方法的基本原理和方式分类。作为发展初期的二级溅射，它的结构较为简单，易于控制，重复性也好。但是限制了其在工业上的推广并且被取代的原因是：溅射气压高，电压也高，溅射的速率小，并且镀膜中基体升温快，对薄膜的质量非常不利。但是，如今二级溅射仍然被运用在了研究溅射的项目中。
1.2.2 传统磁控溅射与非平衡磁控溅射
溅射的方法更替变化经历了好几个时代，非平衡磁控溅射便是一项非常重要的发现。与传统溅射中电子被严密地控制在某区域内，限制了大面积的镀膜相比，直到1985年“非平衡磁控溅射”的理念被最初的提出来，顺利解决了之前传统溅射中的矛盾。以真空室电流密度大于2mA/cm2为前提，工业上也可以开始大面积的镀膜了。很快的，几年后的非平衡系统（CFUBMS）以更有效的方式控制了电子。原理是：靶与非平衡结构之间构建了磁场系统，非常高效率地提高了真空室内的等离子体密度利用率，更达到工业生产上大规模覆盖的目的，奠定了后来的磁控溅射的方法。
1.2.3 脉冲磁控溅射（PMS）
PMS (脉冲磁控溅射)就是以矩形波、脉冲电源溅射制备隔热膜。同时为了不损伤薄膜的结构性能，PMS在10-200KHZ的脉冲波条件下溅射，能有效克服很多矛盾，制得高效高品质、无缺陷的金属薄膜与隔热薄膜。
这项技术的发明使得磁控溅射又提高了一个层次，启发了又一个影响薄膜性能的重要因素。主要原因是中频电源在中频对靶中磁控溅射，可以完美解决其他镀膜方式中两个最大问题：绝缘材料靶的阳极消失和靶中毒。这种方法也常常被运用于反应溅射，还解决了反应溅射中的直流反应溅射的一些缺陷，如异常的电弧放电在电解质材料和绝缘材料中常常发生。PMS直接影响了膜的质量，提高了膜的稳定性、减少了缺陷，使得反应溅射真正成为溅射的重要手段!
2. 溅射法和磁控溅射法的原理特点介绍
2.1溅射法的几种方式
2.1.1 射频溅射
前文中提及了关于绝缘或是非金属材料为基底时，工业上采用提高电源电压来弥补基底导电性不强的缺点。所以，用交流电溅射，也就是射频溅射，试用于各种靶材（包括导电性不强的非金属靶）。
使用在交流电源溅射时，只有频率大于50kHz或是更高频的电源才会产生区别于普通溅射的影响。与直流溅射最大的差异是，交流电的两级一周期内的电位会互换两次，于是电场交互转换导致阴极溅射可以在两块衬底上同时发生，提高了溅射的效率。但是当频率增加到大于50kHz，在两电极之间的等离子体中，电子不断震荡获得了更多的能量，致使更多电子碰撞更多的气体分子，引发气体电离，产生的二次电子同时又反过来积极推动了反应的进程，更多实验显示，尽管在1Pa左右的低压下进行的高频段的溅射，溅射速是相当高的。其次，高频的电场还允许由其他形式的衬底材料耦合反应。因此，最大优势是不必再限制于靶材的电导性质。
其次，该方法可以产生射频自偏压效应并对目标材料影响，溅射发生过程中，目标将是在负电位状态，直接促进气体离子的轰击效应。射频溅射设备的组合结构如图2.1所示。
图2.1 射频溅射装置图
2.1.2 直流溅射
直流溅射是溅射技术的开端，它同时也被叫做阴极溅射、二级溅射。直流电压下发生反应的一般条件是：电压不小于3kV，工作气压大于等于10Pa，靶电流密度至少为0.5mA/cm2，沉积速率小于0.1μm/min。如上文直流溅射的原理所说，溅射的设备较为简单，但是一些缺点也限制了直流方法的后续发展。实验的简要步骤是：真空室内，靶材作为阴极。首先便是根据电离规真空计显示的镀膜室真空度，完成实验要求的本底真空度。充入惰性气体（如氩气），在0.1-10Pa气压下，接通外加直流电压，阴阳两极之间的惰性气体原子直接电离(如氩离子与电子)，自由电子在电场作用下加速飞向阳极[4]，氩粒子撞击溅射靶材，靶材表面的靶面原子飞向衬底。少数高速离子会轰击气体原子产生二次电子，循环放电。而被轰击出的原子沉积成薄膜。直流溅射设备图如图2.2所示。
图2.2 直流溅射装置
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