真空磁控溅射镀膜设备及工艺技术研究

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电子工业专用设备

EquipmentforElectronicProductsManufacturing

工艺与制造

真空磁控溅射镀膜设备

及工艺技术研究

程建平1，杨晓东1

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030024)

摘

要：磁控溅射技术在薄膜制备领域广泛应用，适合的工艺和制造技术对磁控溅射镀膜有着

重要的影响。介绍了用于薄膜电路的生产工艺流程以及由此而决定的设备组成及控制技术，并重点叙述了薄膜制备的方法、参数选择、设备设计方法。关键词：磁控溅射；镀膜工艺；设备中图分类号：TP2

文献标识码：A

文章编号：1004-4507(2009)11-0027-05

ResearchoftheVacuumMagnetronSputteringDeposition

EquipmentanditsPrdcess

CHENGJianping,YANGXiaodong

(Chinaelectronicstechnologygroupcorporationthesecondresearchinstitute,Taiyuan030024,China)

Abstract:ThetechnologyofVacuumMagnetronSputteringDepositioniswideusedonthefieldofthinfilmmanufacture.Appropriatetechnicsandmanufacturetechniquehaveimportantinfluencetothequalityoffilm.Flowchartofmanufacturingfilmcircuitandcorrelativeequipmentwithitscontroltech-niquearemainlymentionedinthearticle.Andthearticletriestosolvessomepracticalproblem,suchasthemethod,parameterandrelevantequipment.

Keywords:MS(MagnetronSputtering);Depositiontechnics;Depositionequipment

磁控溅射是一种物理气相沉积现象，属于辉光放电范畴，利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源于辉光放电中正离子对阴极靶材的溅射作用。

本设备的研制主要用于在陶瓷基片(氧化铝、氮化铝、氧化铍)上淀积集成元件，如薄膜电容、薄膜电感、薄膜电阻和分布参数电路元件。沉积物包

收稿日期：2009-10-20

括：Ni/Cr-Au,TiW-Au以及TaN-TiW-Au。经合理的温度频率特性好，可工艺配置，所制作元件精度高、以工作在毫米波段，且集成度高，尺寸小。

针对磁控溅射原理及具体应用，本设备融合了先进的设备设计及制造技术、工艺技术、控制技术，保证了设备的稳定性和可靠性。

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磁控溅射工艺流程及工艺参数

在镀膜过程中，工艺的选择对薄膜的性能具有重要的影响，根据磁控溅射技术原理，结合设备的实际应用，制定工艺流程如图1。

基片清洗

装片抽本底真空

抽本底真空

预溅射

氩气分亚加热溅射(或多次溅射)退火(可选)冷却包装、入库

性能测试

表面检验

卸片

图1

工艺流程图

1.1基片清洗

薄膜基片的清洗方法主要根据薄膜生长方法和薄膜使用目的选定。

清洗的主要目的是去除表面污物和化学污物，还应考虑表面的粗化。一般实验室所用的清洗方法：

去除基片表面油脂成分的清洗方法是，首先用异丙醇蒸汽对基片表面进行脱脂清洗，随后用流动水充分冲洗，再依次在乙醇、丙酮中浸泡后用干燥机快速烘干。1.2抽本底真空

本底真空一般应控制在2×10-4Pa以上，以尽量减少真空腔体内的残余气体，保证薄膜的纯洁度。残余气体由质谱仪监测。1.3加热

烘烤的作用包括：基片表面除气取水，提高膜—基结合力；消除薄膜应力，提高膜层粒子的聚集度。一般选择在150～200℃之间。1.4氩气分压

直流溅射建立满足辉光放电的气压条件，一般选择0.01～1Pa范围内，射频溅射相对于直流溅射更容易起辉，压力更低；1.5预溅射

对于靶材材料易氧化，在表面形成一层氧化（总第178期）膜，预溅射是通过离子轰击的方法去除靶材氧化膜，以及其他非靶材物质。轰击出来的粒子附着在遮挡屏上，通过定时清洗清除出真空室。

预溅射功率根据溅射功率决定，一般略高于溅射功率，时间由靶材的材料及氧化程度决定。

1.6溅射

溅射建立在等离子体的条件下，氩气电离后形成的正离子高速轰击靶材表面，使靶材粒子溅射出来到达基片表面形成薄膜。

溅射功率根据膜层厚度来决定，本设备在100W以上及可以起辉，故选择功率应高于100W。1.7退火

靶材材料与基片材料的热膨胀系数的差异，会影响薄膜与基片的结合力。适当应用退火工艺，可以有效提高结合力。退火温度选择在400℃以下，一般高于基片烘烤温度。

2系统组成及设计思路

根据磁控溅射工艺需要，进行系统设计：设备

主要由真空室、真空系统、磁控溅射源、加热及温控系统、进气系统、膜厚测量系统、残余气体分析系统、工件转架及遮挡屏等组成。2.1真空室

真空室的设计综合考虑各种影响设备正常运行的因素，包括：合理的结构(圆形立式)；

尺寸满足φ600mm×600mm的内部尺寸；壳体材料低放气量(选用1Cr18Ni9Ti)；厚度满足真空容器要求(6mm)；冷却(腔体外壁水道)；真空密封(磁流体动密封、硅橡胶静密封)等。2.2真空系统

由于本设备产品对膜层的高质量要求，极限真空要求为8×10-5Pa，以尽量减少真空室内的残余气体。为建立符合工艺要求的超高真空环境，真空抽气系统由德国莱宝分子泵(T1600)+机械泵(D65B)构成，分子泵抽速可调，在分压的过程中可

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减少氩气的消耗量。2.3磁控溅射源

磁控溅射源是设备的核心部件，配置的优劣直接关系到薄膜的均匀性、致密性，功率效率和靶材利用率等指标。溅射源由阴极靶、溅射电源组成。

本设备采用空间平面磁控溅射靶，结构紧凑，靶尺寸容易设计较大，从而扩大溅射沉积的均匀区。

阴极靶在设计过程中综合考虑磁场分布、磁路、导电、屏蔽、冷却、绝缘、密封等，采用有限元分析的方法，对阴极靶进行优化设计，设计过程如图2。

结等离构磁场溅射否设分布子体过程设计合理

是设计

定计

模拟

分布模拟

模拟

型

图2

磁控靶设计流程图

溅射电源采用美国AE公司的DC电源(MDX1.5K1.5kW)、RF电源(CESAR13252.5kW)。2.4加热及温控系统

采用红外加热方式，加热功率2kW,最高温度400℃。2.5进气系统

当设备进入本底真空后，进气系统负责充气，使真空室的气压达到动态平衡。为保证工艺的稳定性，要求真空室真空度恒定、送气量平稳。

本设备采用MKS质量流量控制仪，通过软件编辑实现气体流量的设定、显示、调整，以满足工艺要求。2.6膜厚测量系统

薄膜厚度的掌握对薄膜的性能十分重要，本设备采用在线式石英晶体膜厚测量仪检测薄膜厚度。溅射探头利用镀金晶片作为厚度检测传感器，结构简单、体积小，可用于监控金属、半导体或介质薄膜的厚度。

由于石英晶体的振荡频率随附加上的质量增加而降低，所以测量前需设置材料参数，保证测量的准确性。

2.7残余气体分析系统

高真空状态下利用质谱仪实现对真空室内气体成分进行分析，以了解环境中存在的残余气体分子，监视镀膜本底环境。2.8工件转架及遮挡屏

工件转架用于安装待镀基片，由旋转电机带动，通过调节转速调节靶材粒子入射角，调节最佳的膜层均匀性及附着力。一般设定为8～12r/min。

挡屏由旋转电机带动，预溅射时，遮挡在阴极靶前，防止基片被污染。溅射时打开，使靶材材料到达基片。

2.9水冷系统

设备中真空泵、溅射靶等部分在运行过程中会产生热量，采用水冷的方式对各个发热部件进行冷却。2.10控制系统

以PLC作为系统控制核心，对设备进行适时监控。PLC与嵌入式工控机连接，实现数据交换，对设备进行操作。

工控机通过TCP/IP网口与管理计算机通讯，实现数据存储、分析以及设备维护等功能。同时管理计算机利用TWare32软件管理质谱仪，实现对工艺过程中的残余气体进行分析。图3是设备硬件系统示意图。

嵌入式工控机管理站COMTCP/IPTCP/IPCOM

质谱仪

HostLink

1

1

3

11

1

1

1

113

2

VV11--U2205V

2211PCC0S8DDC88COOT000II--TPSDDF-WW-----W11WWWWAAW1JJ11111JCCJJJJW-W-CCCC11JCJJCCC开开温度关关信号水压力/速速度/量量采集温度/流量流量/功率等输输及控检/源溅射电等模模拟输入

入制

测

拟输入出

图3

硬件系统示意图

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3

工艺过程

在基底、薄膜材料一定的情况下，工艺参数的选择对成膜速率、膜层质量有很大的影响，因此结合理论与实验掌握最佳的溅射功率和气压对于设备的有效利用至关重要。

本项目在工艺试验过程中重点研究了功率、气压对成膜速率和质量的影响。

试验过程中采用膜厚测量仪在线测量沉积速率，同时在溅射前利用特别设计的工装，遮挡基片的部分，制作台阶，利用台阶仪测量薄膜的厚度均匀性。膜层附着力的测试，采用压带测量法，将具有一定粘着力的胶带粘到薄膜表面，在剥离胶带的同时，观察薄膜剥落的难易程度。

3.1溅射功率对成膜速率的影响

在气体压力(0.1Pa)一定的条件下，不断增溅射功率，观察溅射速率，绘出曲线如图4。

20151

-ni10

m·mn/率速5积沉0

02004006008001000120014001600

溅射功率/W

图4

不同功率下的沉积速率

从图中可看出，薄膜沉积速率随着功率的增大呈线性增大，但是当功率增大到1400W时突然下降。这是由于靶材可承受功率是有限的，阴极靶与屏蔽罩的绝缘性能随着功率的加大而下降，导致电压下降、电流上升，引起拉弧现象。因此，功率应当（总第178期）在允许范围内调节。

3.2溅射功率对薄膜质量的影响

在不同溅射功率下制备AL膜，测试附着力发现，随着功率的不断增加，附着力越来越好。

实验说明，功率太小会使膜层结构疏松、颗粒大；提高功率，部分高能溅射粒子产生不同程度的注入现象，在薄膜与基片之间形成伪扩散层，提高附着力。

但是，当功率太高时，由于膜层内应力增大，会导致膜层破裂。实验表明，当功率超过20W/cm2后，结合力明显下降。3.3气压对成膜速率的影响

在功率为1000W的情况下，逐渐增加工作气压，观察沉积速率的变化，绘出变化关系如图5。从中可以看出，气压在0.1～0.2Pa之间时沉积速率最大，这是因为，当气压低于一定限制时，气体离子密度小，不足以形成等离子体；随着气压的不断上升，离子密度增大，溅射速率随之增加；当气压高到一定程度时，由于离子密度太大，

使溅射离子平均自由程减小，从而又使溅射速率下降(见图5)。

14

121

-ni10m·mn8/率速6积沉42

0.000.250.500.751.001.251.501.752.00

工作压力/Pa

图5不同功率下的沉积速率

3.4气压对薄膜结合力的影响

薄膜的形成是靶材粒子经过吸附、凝结、表面扩散迁移、碰撞结合形成稳定晶核。然后再通过吸

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附使晶核长大成小岛，岛长大后互相联结聚结，最后形成连续状薄膜。气压的大小影响粒子能量，进而影响薄膜晶核的形成。

气压过低时，溅射粒子能量大，在基片上容易形成小丘或空洞，造成薄膜缺陷；随着压强的升高，

溅射粒子在飞向基片的过程中与氩气原子碰撞几率增加，到达基片时能量减小，有利于去除高能造成的缺陷；但当气压太高时，溅射粒子到达基片时能量太低，又影响到薄膜的结晶。

通过实验分析发现，当溅射气压在0.1～0.3Pa时，薄膜附着力最好，因此认为在该范围内的压力对于设备较为适合。3.5

薄膜均匀性分析

在陶瓷片上沉积Ni/Cr合金膜，功率1000W，气压0.1Pa，工件旋转速度9rad/min，沉积时间1h。

利用台阶仪对薄膜厚度进行检测，利用Origin

数据分析软件绘制结果如图所示，经计算分析，所获得膜层均匀性可达到±5%，满足集成电路设计要求(见图6～图8)。

4结束语

磁控溅射镀膜设备属于2006年电子预研项

目，本项目在借鉴国外先进技术的基础上完成了系统设计。针对产品应用方向，进行了适合本设备的工艺研究，并指导工艺试验，取得了阶段性的胜利。目前设备控制系统已定型，经长期试用，系统运行可靠、

稳定，能够满足工艺要求。参考文献：

[1]田民波，刘德令.薄膜科学与技术手册[M].北京：机械工业出版社，1991.228-229.

[2]马元远，王德苗，金浩，郑建潮.工艺参数对磁控溅射金属化薄膜性能的影响[J].真空，2008，45：71-73

[3]李云奇.真空镀膜技术与设备设计安装及操作维护实用手册[M].北京:化学工业出版社，2006.911-914.[4]

王福贞，马文存.气相沉积应用技术[M].北京：机械工业出版社，2007.264-266

0.0010

0.0005

m

m/H0.0000-0.0005

051015202530354045505560

x/mm

图9

下区厚度分析

0.0010

0.0005

m

m/H0.0000

-0.0005

05101520

2530354045505560

x/mm

图7

中区厚度分析

0.0010

0.0005m

m/H0.0000-0.0005

051015202530354045505560

x/mm

图6

上区厚度分析

[5]

高能武，陆吟泉等.ALN基片的薄膜金属化.[J].电子元件与材料，1999，05：9-11

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