引 言
磁控濺射是一種常見的物理氣相沉積方法，具有 沉積溫度低、沉積速度快、方便多個靶材進行材料合成 等優(yōu)點，常用于金屬[1-3]、半導體[4-6]、絕緣體[7-9]等多 種薄膜材料的制備。然而，在磁控濺射過程中，不同材 料的濺射原子角分布差異很大[10]，而且合金材料的一 些參數(shù)不易設(shè)定，因此采用晶振片監(jiān)測沉積薄膜厚度 有很大的局限性。在實際使用中，通常選擇控制濺射 工藝時間來控制所制備沉積薄膜厚度。具體做法是： 在一小段時間內(nèi)濺射沉積某種薄膜，采用臺階儀測得 厚度值并換算成沉積速率；當制備具體厚度的該材料 薄膜時，只需簡單的比例運算，就可得到沉積該厚度所 需要的時間。
在大量的實驗記錄中發(fā)現(xiàn)，通過控制濺射工藝間來控制薄膜厚度的方法也存在一定的缺陷。當濺射 靶材為銅、鋁、鈦、鉻等金屬靶材時，沉積薄膜厚度和濺 射工藝時間符合線性規(guī)律，采用濺射工藝時間控制沉 積薄膜厚度比較科學。然而，當靶材為氧化鋅、二氧化 硅等導熱差的材料時，隨著濺射工藝時間的延長，濺射 速率在一定時間后突然增加，出現(xiàn)“濺射失重”現(xiàn) 象[10]，讓沉積薄膜厚度變得不再可控。為此，根據(jù)所 用設(shè)備的特點和靶材的實際導熱情況以及濺射時腔內(nèi) 的溫度變化建立數(shù)學模型，采用Ｍａｔｌａｂ軟件模擬靶材 表面溫度隨濺射工藝時間的變化關(guān)系，闡明氧化鋅、二 氧化硅靶材濺射速率突然增加的原因。
1、實驗部分
磁控濺射鍍膜設(shè)備為ｅｘｐｌｏｒｅ14多靶磁控濺射鍍 膜系統(tǒng)，共有3個直徑為3in（1in ＝ 2.54 cm）的水冷 靶槍，配備2個直流電源和1 個射頻電源。水冷靶槍 的常年溫度約為25 ℃ 。靶材中心距工件臺中心約為15 cm，靶平面與工件臺平面的夾角約為45°。選用直 徑3 ｉｎ的銅、鋁、氧化鋅和二氧化硅靶材，靶材純度均 為99 999％ ，靶材厚度為5 ｍｍ。襯底均為4 in 清洗 干凈的單面拋光硅片。所有待沉積薄膜的硅片在放置 于工件臺之前，貼好十字形聚酰亞胺膠帶，方便后序臺階儀測量薄膜的厚度。
1.1 銅靶材濺射
在2個直流靶上分別安裝鉻和銅靶材。將腔內(nèi)抽 真空到0.1MPa后，對2個靶材預濺射清洗2 min。靶 材濺射清洗具體工藝條件為：工作氣壓0.8 pa，濺射功 率300 Ｗ。然后，對已經(jīng)放置于工件臺上的硅片襯底 濺射沉積薄膜。具體做法如下：先在硅片上濺射約10 ｎｍ的鉻，增加銅和襯底的黏附性。濺射鉻的工藝 條件為：濺射功率300 Ｗ，工作氣壓0.8 pa，濺射工藝 時間40 ｓ，工件臺旋轉(zhuǎn)速度10 ｒ／ min。關(guān)閉鉻靶電源， 打開銅靶電源對襯底進行濺射。濺射銅的工藝條件 為：濺射功率300 Ｗ，工作氣壓0.8 pa，濺射工藝時間15 min，工件臺旋轉(zhuǎn)速度10 ｒ／ min。濺射完畢后，取出 樣品并測量厚度。更換為全新的銅靶和待沉積的硅片 樣品，重復上述制備銅膜的工藝步驟，將濺射工藝時間 分別延長為30、45、60、75、90、105、120 min。需要注意 的是，為了實驗的嚴謹性，每制備一次新樣品都要更換 全新的銅靶材。在所有濺射過程中，為了防止腔內(nèi)環(huán) 境溫度升高，腔壁吸附的水分子釋放出來影響濺射速 率，采用液氮在分子泵前端的冷阱進行制冷。制冷間 隔為每30 min加注一次液氮。
1.2 鋁靶材濺
鋁靶材濺射和銅靶材濺射的工藝步驟相同，濺射 前對靶材預濺射清洗2 min。鋁靶材的濺射功率為300 Ｗ，工作氣壓為0.8 pa，工件臺旋轉(zhuǎn)速度時間分別為30、45、60、75、90、105、120 min。2 個直流 靶上分別安裝鈦和鋁靶材，鈦作為鋁膜的黏附層每次 沉積約10ｎｍ。工藝條件為：濺射功率300 Ｗ，工作氣 壓0.8 pa，濺射工藝時間30 ｓ。每制備一次新樣品后 都要更換全新的鋁靶材
1.3 氧化鋅靶材濺射
氧化鋅靶材安裝在射頻電源靶槍上。腔內(nèi)抽真空 到0.1 ｍpa后，對氧化鋅靶材預濺射清洗2 min。預濺 射功率為300 Ｗ，工作氣壓為0.8 pa。在沉積氧化鋅 薄膜之前，用50 Ｗ 的負偏壓功率對襯底預清洗3 min，增加薄膜和襯底的結(jié)合力。濺射氧化鋅靶材的 工藝條件和濺射銅、鋁靶材的工藝條件相同。每制備 一次新樣品都要更換全新的氧化鋅靶材。后續(xù)的系列 實驗將濺射工藝時間分別設(shè)定為30、45、60、75、90、 105、120 min，制備好樣品后測量厚度。
1.4 二氧化硅靶材的濺射
二氧化硅靶材的濺射工藝參數(shù)與步驟和氧化鋅靶 材的完全相同，實驗細節(jié)不再贅述。
2、實驗結(jié)果
去掉硅片上的聚酰亞胺膠帶，采用ＫＬＡ-ＴｅｎｃｏｒＰ7臺階儀多次測量硅片不同位置所制備樣品薄膜的厚 度，求平均值。相同濺射功率、不同濺射工藝時間下沉 積的銅、鋁、氧化鋅、二氧化硅薄膜具體厚度如表1 和 圖1所示。
3、分析與討論
由實驗測試結(jié)果可知，銅、鋁2種金屬的沉積薄膜 厚度和濺射工藝時間幾乎呈線性變化。在濺射工藝時 間40 ～ 80 min區(qū)間內(nèi)，銅膜的實際沉積厚度比理論值 略有增加。造成這種結(jié)果的原因可能是：隨著銅靶材 的消耗、刻蝕槽的加深，更多的磁場力線露出靶 面，對電子的束縛能力更強，電子與氬氣碰撞產(chǎn)生更多
的氬離子，造成濺射產(chǎn)額增加，薄膜的沉積速率略快； 當濺射工藝時間超過90 min，刻蝕槽的繼續(xù)加深導致 “空心陰極效應”現(xiàn)象的產(chǎn)生，加速銅膜沉積速率的降 低[11]。在濺射工藝時間60 ～ 105 min 區(qū)間內(nèi)鋁薄膜 沉積速率略增加，在105 ～ 120 min區(qū)間內(nèi)沉積速率略 下降，這是因為鋁靶的濺射速率比銅靶慢，變化趨勢也 會相應延遲。
氧化鋅和二氧化硅薄膜實際沉積厚度在前期與理 論值較吻合，當濺射工藝時間繼續(xù)增加后，實際厚度逐 漸比理論值偏大，甚至出現(xiàn)了“濺射失重”的現(xiàn)象。這 可能是由靶材的導熱性能不好、靶材表面溫度過高所 造成的。根據(jù)所用濺射鍍膜設(shè)備的具體特點和靶材的 導熱情況嘗試建立數(shù)學模型。
當靶材的濺射功率為300 Ｗ時，大約只有1％的 入射離子能量轉(zhuǎn)移到逸出的濺射原子中[12]。剩下的 能量一部分消耗在靶材的表層，轉(zhuǎn)化為晶格的熱振動， 使靶材表面溫度升高；另一部分用于氬氣電離，釋放的 熱量以熱輻射的形式對外傳熱。設(shè)靶材表面溫度為Ｔ，當時間為ｔ、冷水靶槍的溫度恒定為25 時，溫度與 時間的關(guān)系為
其中：Ｓ為實際導熱面積；λ為材料的平均導熱系數(shù)；ｈ為靶材厚度；Ｋ為靶材和靶槍兩界面間的傳熱系數(shù)；ｍ為靶材質(zhì)量；ｃ為靶材比熱容；Ｑ為濺射時整個腔體吸 收的熱量。
以銅靶材為例，在濺射過程中氬離子轟擊主要集 中在刻蝕槽區(qū)域，靶材底部的實際導熱面積Ｓ約為4 cm2，平均導熱系數(shù)λ約為400 Ｗ／（ｍ·Ｋ），厚度ｈ為5 ｍｍ，Ｋ約為1 ｍＷ／（ｍ2·Ｋ），ｍ約為0.2ｋｇ，ｃ約為0.4 ｍＪ／（ｋｇ·℃ ），腔體吸收的熱量Ｑ與靶材表面的 溫度存在比例關(guān)系（Ｑ ＝ 200Ｔ）。代入以上數(shù)據(jù)，銅靶 材表面溫度與濺射工藝時間的關(guān)系為
將另外3種材料的平均導熱系數(shù)、靶材質(zhì)量、靶材 比熱容等數(shù)據(jù)代入式（1）后，用Ｍａｔｌａｂ軟件模擬出靶 材表面溫度隨濺射工藝時間的變化，如圖2所示。
由圖2模擬結(jié)果可知，對于銅、鋁2 種靶材，在濺 射開始時靶材表面溫度迅速升高。隨著靶材表面和水 冷靶槍溫差變大，熱量傳輸更加迅速。由于銅、鋁的導 熱性能良好，在工藝開始的10 min后，濺射產(chǎn)生和導 走的熱量趨于平衡，銅靶和鋁靶表面溫度不再升高，分 別約為75 ℃和94 ℃ 。兩者均沒有達到材料“濺射失 重”的臨界溫度，所以在整個實驗中沉積薄膜厚度和 濺射工藝時間幾乎是呈線性變化的。
對于氧化鋅和二氧化硅2 種靶材，由于材料的導 熱性能較差，加上材料溫度的升高，因此導熱性能隨之 下降[13]。靶材表面的熱量向水冷靶槍傳輸比較困難， 靶材表面溫度不斷升高。在約345 ℃和472 ℃時，氧 化鋅和二氧化硅靶材表面溫度趨于穩(wěn)定。靶材表面溫 度的升高造成材料鍵長增加和穩(wěn)定性變差。當溫度達 到某一臨界值時，氬離子轟擊靶材表面，更多的原子克 服材料間的鍵能而逸出靶面，因此出現(xiàn)了“濺射失重” 現(xiàn)象。在相同的工藝條件下，氧化鋅靶材“濺射失重” 現(xiàn)象比二氧化硅靶材出現(xiàn)較早，這可能是由氧化鋅的 鍵能約為270 ｋＪ／ ｍｏｌ，而二氧化硅的鍵能約為799kJ／ ｍｏｌ[14]，氧化鋅靶材中氧和鋅鍵能較低的緣故造成的。
4、結(jié)語
在使用磁控濺射鍍膜設(shè)備沉積薄膜時，隨著濺射 工藝時間的延長，銅、鋁靶材的濺射速率變化不大，而 氧化鋅、二氧化硅等靶材出現(xiàn)突然加速的“濺射失重” 現(xiàn)象。由靶材表面溫度與濺射工藝時間的變化關(guān)系可 知，氧化鋅和二氧化硅導熱性能不良造成靶材表面溫 度比銅、鋁靶材表面溫度高。靶材表面溫度超出“濺 射失重”的臨界溫度，可能是氧化鋅和二氧化硅靶材 濺射速率突然增加的原因。
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