1、第二章等離子增強(qiáng)磁控濺射沉積技術(shù)匹l=i等離子增強(qiáng)磁控濺射(Plasma Enhanced Magnetron Sputtering)沉積技術(shù)，簡 寫為PEMS,是物理氣相沉積(PVD)技術(shù)的一種。它與傳統(tǒng)磁控濺射(Conventional Magnetron Sputtering，簡寫為CMS)的區(qū)別在于其運用獨立的電子發(fā)射源達(dá)到等 離子體增強(qiáng)的效果，制備出涂層的致密度、硬度和韌性等均有顯著提高。運用 PEMS技術(shù)可以制備傳統(tǒng)磁控濺射技術(shù)的所有涂層，如TiN，CrN，TiAlN，TiCN 等。PEMS技術(shù)的原理PEMS技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)磁控濺射技術(shù)的優(yōu)點，在其基礎(chǔ)上做了改良，圖2.1為PEMS技術(shù)

2、的原理圖和實際鍍膜工作時的圖片。如圖2.1(a)所示，PEMS真空室 的尺寸為700X700X700mm3,左右兩邊分別有一個圓柱形金屬靶，尺寸為1.5cmX 170mm。在真空室的中央，有一個旋轉(zhuǎn)的工作臺便于懸掛工件，工作臺旋轉(zhuǎn)的速度為1020rpm，鎢絲的長度為20cm。(a)(b)(a)(b)圖2.1 (a)PEMS技術(shù)的工作原理圖(b)實際鍍膜工作圖PEMS技術(shù)應(yīng)用了一個電子發(fā)射源來產(chǎn)生更多的電子，一般選用加熱的鎢 絲或者空心陰極管作為電子發(fā)射源。從實際工作圖2.1(b)的下方可以隱約看見耀 眼的光線，即鎢絲在加熱狀態(tài)發(fā)出的光線。當(dāng)真空室內(nèi)氣壓到達(dá)幾個毫托，在鎢 絲和真空壁之間施加直流

3、放電電壓(DC Discharge Power Supply)，即：真空壁接 地，鎢絲上為恒定負(fù)偏壓( 100V)。同時，在鎢絲上加載交流電(電壓2030V， 電流4045A)，鎢絲被加熱后向真空室內(nèi)釋放電子，在放電電壓的作用下，電子 被加速向真空壁飛去，由于真空室內(nèi)存在大量的氣體分子(Ar，TMS，N2等)，電 子與中性氣體分子(原子)發(fā)生碰撞，導(dǎo)致氣體電離，并最終使真空室內(nèi)產(chǎn)生等離子體。等離子體中帶正電的Ar離子受到靶材的吸引，轟擊靶材產(chǎn)生濺射。PEMS技術(shù)與傳統(tǒng)磁控濺射技術(shù)的比較與傳統(tǒng)磁控濺射相比，PEMS在其基礎(chǔ)上引入了鎢絲產(chǎn)生等離子體。眾所周 知，幾乎所有的PVD鍍膜技術(shù)都是為了獲得

4、粘附性能好，硬度高，致密的涂層。 因此，在鍍膜之前，工件表面的清洗至關(guān)重要，它可以使涂層和基體材料之間結(jié) 合得更好。在鍍膜涂層生長過程中，足夠的離子碰撞是獲得致密涂層的關(guān)鍵條件。 PEMS技術(shù)引入的鎢絲為鍍膜前的清洗和鍍膜過程中提供足夠的離子碰撞奠定 了基礎(chǔ)。2.2.1傳統(tǒng)磁控濺射技術(shù)考慮到工件表面的氧化物和贓物會影響涂層粘附力，將工件放入真空室之 前，人們通常使用噴砂，乙醇，丙酮，超聲波等手段對表面進(jìn)行清洗。但是，由 于新鮮表面極易被氧化，一點點氧化皮就可能使涂層性能粘附性能變差，而且可 能會導(dǎo)致柱狀的生長。因此，將工件放入真空室后的清洗也非常重要。傳統(tǒng)磁控 濺射清洗工件的方法是將靶材的功率

5、調(diào)低，在工件上施加一個很高的負(fù)偏壓，利 用靶材產(chǎn)生的Ar等離子體對工件進(jìn)行清洗。盡管磁控管的功率很小，由于靶材 上使用的是負(fù)偏壓，Ar+，Ar2+就會對靶表面進(jìn)行轟擊，這樣不可避免的產(chǎn)生了 少量的濺射，繼而沉積于工件表面，這樣造成的結(jié)果是，在工件表面沒有清洗干 凈的時候就已經(jīng)開始鍍膜了，清洗效果差。另一種情況是，不開啟磁控管，在工 件表面使用高的負(fù)偏壓，利用真空室內(nèi)較高的氣壓 Ar氣產(chǎn)生輝光放電(Glow Discharge)，工件清洗完畢后將真空室的氣壓降到靶材鍍膜時的工作氣壓。然而， 在氣體下降的過渡過程中，工件表面的等離子轟擊過程會受到影響，因為工件剛 形成的新鮮表面會被真空室內(nèi)殘余的水

6、蒸氣再次氧化，原因是水蒸氣分子在等離 子體環(huán)境下異常的活躍，容易獲得活性的氧原子或氧離子。PEMS 技術(shù)從圖2.1(a)可以看出，PEMS原理圖的下半部分有一個燈絲，通常使用鎢絲。 在交流電加熱下，鎢絲不斷釋放電子，它是獨立于磁控管的一部分。因此，在工 件清洗和鍍膜過程中，它可以實現(xiàn)傳統(tǒng)磁控濺射沒有的功能。在PEMS工件清 洗過程中，磁控管保持關(guān)閉狀態(tài)，此時真空室內(nèi)Ar的氣壓保持26mtorr，在鎢 絲上加載交流電，并在工件上緩慢增大負(fù)偏壓，燈絲上釋放出的電子向真空壁加 速，與Ar碰撞后使整個真空室內(nèi)充滿Ar等離子體，Ar等離子體對工件表面的 清洗已經(jīng)足夠。需要指出，工件表面的負(fù)偏壓需要緩慢增

7、加，實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)過 快表面會出現(xiàn)電弧，對工件的新鮮表面很不利。清洗完畢，在不關(guān)閉鎢絲電源的 情況下開啟磁控管，這樣在清洗和鍍膜之間避免了氣壓過渡過程，工件表面不容 易被氧化。在鍍膜過程中，由于鎢絲源源不斷的向真空室釋放電子，與真空室內(nèi)的的氣 體分子產(chǎn)生碰撞，以氬氣為例，電子轟擊氬氣分子的最外層或次外層電子，形成 Ar+，Ar2+，這些離子轟擊靶材最終產(chǎn)生濺射。需要強(qiáng)調(diào)的是，鍍膜過程中鎢絲 產(chǎn)生的等離子體是獨立于磁控管產(chǎn)生的等離子體的，經(jīng)法拉第杯(Faraday Cup) 試驗測定，發(fā)現(xiàn)有鎢絲的真空室離子電流密度是單獨磁控管產(chǎn)生離子電流密度的 25倍。另外，由于鎢絲是由交流電控制，可以從外部調(diào)

8、節(jié)交流電的電壓來控制 放電電子的數(shù)目，進(jìn)而控制真空室內(nèi)等離子體含量。等離子體的增加直接導(dǎo)致真 空室內(nèi)離子和原子的比值(ion to atom ratio)增加，它是PVD過程當(dāng)中一個重要的 參數(shù)。傳統(tǒng)磁控濺射為了提高離子和原子的比值，通常提高靶材的功率，然而靶 材中性原子同時也會濺射出來，最終導(dǎo)致凈離子和原子的比值幾乎沒有變化。2.2.3 CMS和PEMS實驗結(jié)果比較表2.1 Cr涂層沉積于Si片表面的鍍膜參數(shù)工藝氣壓(mtorr)靶功率(W)放電電壓(V)放電電流(A)試樣偏壓(V)偏壓電流(A)試樣-靶 距(cm)沉積時 間(hrs)PEMS2.3500-400.01103CMS2.350

9、01209.0-400.19103圖2.2 CMS技術(shù)(左)和PEMS技術(shù)(右)在硅片上沉積Cr涂層的表面形 貌(上側(cè))和橫截面(下側(cè))形貌圖為了深一步研究PEMS技術(shù)，美國西南研究院魏榮華等人使用CMS和PEMS 兩種方法，運用幾乎相近的實驗參數(shù)在Si片表面鍍上Cr涂層，表2.1列出了 實驗參數(shù)。注：實驗數(shù)據(jù)的引用得到了原文作者的同意。圖2.2為涂層表面和橫截面SEM形貌，其中左側(cè)運用的是CMS技術(shù)，右側(cè) 是PEMS技術(shù)。從表面形貌可以看出，采用傳統(tǒng)磁控濺射CMS沉積出來的Cr 涂層表面粗糙，晶粒比較粗大；從橫截面上看，CMS沉積的涂層呈現(xiàn)出典型的 柱狀結(jié)構(gòu)，致密度低。相近參數(shù)下，PEMS技

10、術(shù)沉積的Cr涂層表面光滑，無明 顯的柱狀結(jié)構(gòu)，而且非常致密。這是由于熱鎢絲釋放的電子增加了等離子體密度， 劇烈的離子轟擊靶材使得涂層的致密度增加，具體可以參考文獻(xiàn)。從圖中同時 可以發(fā)現(xiàn)，兩種工藝的鍍膜時間均為3小時，但PEMS的膜層卻更?。?.5m）， 事實上，等離子體濃度的增加會提高鍍膜速率?？梢姡瑒×业碾x子轟擊可以顯著 提高致密度。PEMS鍍膜前的離子清洗2.3.1真空室及工件的烘烤除氣將工件安裝在工作臺之后，將真空室的基礎(chǔ)氣壓抽到1 X10-5torr以下，加載 交流電于鎢絲上，這時鎢絲處于紅熱狀態(tài)，使整個真空室溫度上升，水蒸氣從工 件表面或真空壁逃逸出來，而后被泵體抽出，這個過程大約需

11、要4小時。2.3.2離子清洗關(guān)閉鎢絲電源，等氣壓穩(wěn)定在10-6torr后，向真空室充入氬氣，通過流速控 制或者節(jié)流閥控制使真空室內(nèi)的氣壓保持在26mtorr。氣壓穩(wěn)定后在鎢絲上施加 交流電（電壓2030V，電流4045A），并在鎢絲和真空壁之間加載放電電壓（通常 為120V），鎢絲發(fā)射的電子被加速朝真空壁飛去，產(chǎn)生氬等離子體。通過調(diào)節(jié)交 流電壓的大小可以控制發(fā)射電子的數(shù)目，從而控制放電電流的大小，試驗控制放 電電流保持在5A。之后，工件上加載負(fù)偏壓-120V，Ar離子受到工件的吸引， 不斷轟擊工件表面的氧化皮和贓物，這時工件離子清洗過程就開始了。需要注意的是，調(diào)節(jié)鎢絲上的交流電壓和工件上的工作

12、偏壓需要緩慢調(diào)節(jié)， 調(diào)節(jié)過快會使工件表面離子轟擊過于劇烈，很容易產(chǎn)生電弧，見第三章第二節(jié)。 在本試驗中，離子清洗時間為2小時。工件清洗完畢后，在不關(guān)閉鎢絲電源的狀 態(tài)下，開啟磁控管（功率500W），此時靶前的擋板處于遮擋狀態(tài)，在低功率狀態(tài) 下對靶表面清洗20min以去除表面的贓物和氧化層。2.4 PEMS 鍍膜靶表面清洗干凈后，開啟擋板，將靶材的功率調(diào)至預(yù)設(shè)值（2KW-4KW），并 把工件表面的負(fù)偏壓降至-40V,濺射開始。降低工件表面的負(fù)偏壓目的是為了降 低濺射力度，從而可以減小膜層的內(nèi)應(yīng)力。為了使涂層和基體之間的結(jié)合力好， 需要在二者之間鍍過渡層(Bondlayer)，一般為純金屬，即靶材。而后依據(jù)膜層成 分的不同向真空室充入N2，TMS，HMDSO，HMDSN等氣體，鍍膜完成。需要指出，在工業(yè)生產(chǎn)中為了提高沉積速率，可以采用提高靶的數(shù)目，增大 放電電流，提高靶材功率等方式。2.5 本章小結(jié)本章主要介紹了以下幾個方面的內(nèi)容：介紹了等離子增強(qiáng)磁控濺射(PEMS)技術(shù)的原理。指明了傳統(tǒng)磁控濺射 (