第24卷第1期
2007年 1月贵州大学学报(
自然科学版)JournalofGuizhouUniversity(NaturalSciences)Vol.24No.1Jan.2007文章编号 1000-5269(2007)01-0068-03
磁控溅射真空制膜技术
余 平,任雪勇,肖清泉,张晋敏
(贵州大学计算机科学与技术学院电子科学系,贵州贵阳550025)
摘 要:利用JGP-560CⅧ型带空气锁的超高真空多功能溅射系统在Si(100)和玻璃基底上沉积了介质薄膜、半导体薄膜、金属薄膜和磁性薄膜,通过实验研究得到各种薄膜较好的镀膜条件;并采用可变入射角椭圆偏振光谱仪对其中一些薄膜的光学性质进行了分析,研究了制备条件对薄膜在可见光范围内光学性质的影响;我们还研究了直流溅射、射频溅射、反应溅射的特点和它们的适用范围。
关键词:磁控溅射;薄膜;椭偏仪
中图分类号:TN304 文献标识码:A
0 引言
,与蒸发法相比,具有镀膜层与基材的结合力强,。在微电子、光学薄膜、材料等方面用于薄膜的沉积、Gr首次描述溅射这种物理现象,20世纪40年代溅射技术作为一种。本文利用JGP-560CⅧ型带空气锁的超高真空多功能溅射系统制备Fe/Si膜,并以此为例研究了制备条件和激光处理条件对薄膜光学性质的影响。
1 磁控溅射的原理和特点
溅射是一个在离子与物质表面原子碰撞过程中发生能量与动量转移、最终将物质表面原子激发出来的复杂过程。溅射过程中Ar以几十电子伏以上的能量直接轰击材料表面,使其表面原子获得足够的能量以克服表面束缚能,同时以一定的能量进入真空室中并沉积到基片表面。受轰击的固体通常称为靶材,溅射出的物质都呈原子状态,也可能有原子团,常称为溅射原子。
磁控溅射是在阴极靶表面上方形成一个正交电磁场。当溅射产生的二次电子在阴极位区被加速为高能电子后,并不直接飞向阳极,而是在正交电磁场作用下作来回振荡的近似摆线的运动。在运动中高能电子不断的与气体分子发生碰撞,并向后者转移能量,使之电离而本身变为低能电子。这些低能电子最终沿磁力线漂移到阴极附近而被吸收,从而避免了高能电子对基板的强烈轰击,一般电子要经过上百米的飞行才能最终被阳极吸收,磁控溅射的电离效率很高,易于放电。
磁控溅射的使用范围很广,可制备成靶材的各种材料均可以此方法制备成薄膜材料,包括各种金属、半导体、铁磁材料、绝缘的氧化物、陶瓷、聚合物等物质
靶材物质与气体分子的化合物薄膜;
JGP-560型磁控溅射仪溅射室内共有五个靶位和六个基片位,其中两个电磁靶,两个永磁靶和一[1,2]+。在适当的条件下,可采用共溅方式沉积所需组分的混合物薄膜;也可以在溅射的放电气氛中加入氧、氮或其它活性气体,可反应沉积形成个射频靶,两个永磁靶可共溅,六个基片位中有一个可以加热。可以进行直流溅射、射频溅射、反应溅射、共溅射;直流溅射又称为阴极溅射或二极溅射。直流溅射可以很方便地溅射沉积各类合金薄膜,但这一方法的前提之一是靶材应具有较好的导电性。射频溅射是适用于各种金属和非金属材料的一种溅射沉积方法。它的优点是对靶材的导电性没有要求。反应溅射是在通入Ar气的同时通入相应的活性气体,
3收稿日期:2006-11-15
作者简介:余平(1980-),女,2004级硕士研究生;研究方向:微电子
。
第1期余平等:
磁控溅射真空制膜技术・69・使金属原子与活性气体在溅射沉积的过程中,由溅射原子与活性气体分子在衬底表面发生化学反应而形成合金膜或化合物膜。同时活性气体可以抑制化合物的分解倾向。利用这种方法不仅可以制备Ai2O3、SiO2等氧化物,还可以制备碳化物、氮化物、硫化物、复合氧化物等。通过控制反应溅射过程中活性气体的压力,得到不同组分的薄膜,得到的沉积产物可以是合金固溶体,也可以是化合物,或两者的混合物。但在溅射过程中,随着活性气体压力的增加,靶材表面也可能形成一层相应的化合物,并导致溅射和薄膜沉积速率的降低。反应溅射既可以是直流反应溅射,也可以是射频反应溅射。共溅射是使用两个由不同材料制备的阴极靶,同时进行溅射,通过调节阴极靶上溅射放电电流,来改变薄膜的成分还可以在一个主要的靶材的表面,固定或粘贴其它材料薄片,实现共溅。[3]。
2 实验
211 样品制备
衬底的清洗:先用丙酮超声清洗10分钟除去油污,,放入无水乙醇中再超声清洗10分钟,再用去离子水冲洗干净,放入干燥箱烘干。10分钟,以除去表面的污染物、氧化物和附着物。本文中所使用的溅射装置是中科院沈科仪生产的JGP统。基底采用Si(100)或载玻片,。以(FeSi)10为例,薄膜的生长条件如下:靶材是纯度为991,本底真空度优于210×10-5Pa,溅射气体为991999%高纯Ar气,0Pa,气体流量为30sccm,溅射功率约为100W。溅射过程中基片可在±20;薄膜的厚度通过控制溅射时间来控制。
实验中发现,,有一个最佳气压值。气压过高时使溅射的原子与气体碰撞几率增加,导致沉积速率下降,薄膜的牢固性变差,当压力较低时,由于放电减弱甚至难以维持辉光,沉积速率会降低。同时为使镀膜实验得以顺利进行,必须保持一定的功率。当功率较小时,辉光放电难以维持,当功率过大时,溅射率急剧增大,靶材温度过高,溅射原子在基片上凝结的核很多,而且核处于比较高的能量状态,会导致薄膜内部存在比较大的应力。
212 分析方法
溅射沉积的Fe/Si膜,随后用脉冲激光扫描的方式进行退火处理,激光扫描间隔为0101mm,激光处理电流分别为18A(2#)、17A(3#)、16A(4#)、15A(6#);处理后的样品用日本理学D/Max-2200型全自动X-射线衍射仪测量其晶体结构,用Ellip-A型全自动椭圆偏振光谱仪测量其光学性质,测量入射角为75°、70°、65°,测量的光子能量范围是115eV～415eV。并用扫描电子显微镜(SEM)观察其表面的显微形貌。
3 结果与讨论
311 XRD和SEM分析
θ=18128°图1为3#样品的XRD图,图中位于2的较强峰是β-FeSi2,除此之外,还可以看到α-
FeSi2、FeSi和未反应的Fe的衍射峰,表明所制备的膜为多晶态混合相结构。从2#的SEM图像(图2)可以看到,该薄膜有明显的晶粒,但不均匀,从而验证了上述结果。
312 Fe/Si膜的光学性质
图3为不同功率激光扫描后Fe/Si膜在入射角为75°时的椭偏光谱;总的看来,相同条件下沉积的薄膜用不同的激光功率处理后,其光谱有相似的变化趋势,吸收系数在310eV发生巨大变化,样品2#、3#、4#的吸收系数明显增加,即在可见光范围内存在吸收边。6#样品由于激光处理电流较小,对样品基本起不到退火的作用,所以光谱曲线与其它几支相差较大。
4 结论
1)磁控溅射制备的非晶膜经过一定功率的激光扫描,对薄膜处理起到退火的作用,生成了α和β
・70・贵州大学学报(自然科学版)第24
卷
图1 3#的XRD图
图2 2#的SE
M图像
图3 FeSi样品的折射率和吸收系数
相的FeSi处理后的样品有明显的晶粒2;如果要得到单一相的FeSi2膜,必须严格控制薄膜的处理条件。
生成,但不均匀,呈多晶状态。
2)激光功率在16-19A时明显改变了薄膜的光学特性,引起吸收系数在310eV附近明显增大,即在可见光范围内存在吸收边,同时激光导致的样品表面损伤十分明显。当处理电流小于16A时,对薄膜光学性质影响极小。
-53)对Fe/Si膜,较好的制膜条件是:本底气压2×10Pa,工作气压210Pa,气体流量30sccm,溅
射功率100W左右。
(下转第86页)
・86・贵州大学学报(自然科学版)第24卷
[2]EATALKHAN,IRMANOUR,AIBARBOOR.InvestigationoftheEffectofDrift2Field2DePendentMorbilityonMOSFETCharacteristics[J].
PartsIandII,IEEETrans.onElectronDevices,ED219(8):899-916,1972.
[3]EWJUSTH,FJKUB,AnalogCMOShigh2frequencycontinuouswavelettransformcircuit[J].ElectronicsLetters,1999,35(l):4-5.
[4]张建人.OS集成电路分析与设计基础[M].北京:电子工业出版社,1987.
[5]童诗白.拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,1999.
[6]PE艾伦,DR霍尔伯格.CMOS模拟电路设计[M].北京:科学出版社,1995.
Theresearchtoimprovethelinearizationtechniquesof
transconductanceamplifier
SHIShu2chun,WANGGuo2wei
(DepartmentofPhysics,LanzhouCityUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)
Abstract:Thebasicconceptsandcharacteristicsaboutthecurrentmodelandtransconductor(gm)havebeengiven,themethodofenhancinglinearofofinputendandenlarginglinearareaareinvestigatedandproposed.
Keywords:OperationalTransconductancethecurrentmodelcircuit;Linear2ization
(上接第70页)
参考文献:
[1]HBIEDERMAN.RFsputteringofpolymersanditspotentialapplication[J].Vacuum,2000,59:594-599.
[2]GUANGZETANG,XINXINMA,MINGRENSUN,XIAODONGLi.Mechanicalcharacterizationofultra2thinfluorocarbonfilmsdepositedbyR.
F.magnetronsputtering[J].Carbon.2005,43:345-355.
[3]RWUHRER,WYYEUNG.Astudyonthemicrostructureandpropertydevelopmentofd.c.magnetronco2sputteredternarytitaniumaluminium
nitridecoatings,PartⅡ[J].Journalofmaterialsscience.2002,37:3477～3482
Filmsmaterialspreparedbymagnetronsputtering
YUPing,RENXue2yong,XIAOQing2quan,ZHANGJin2min
(DepartmentofElectronScience,CollegeofComputerScience&Teehnolege,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025,China)
Abstract:Weproducedmediumfilms,semiconductorfilms,metalfilms,magneticfilmsonSi(100)andglasssubstratesbyJGP2560CⅧmagnetronsputteringsystemandgavethepropitiousconditionsforpreparingfilmsintheseexperiments.Thentheopticalpropertieswereperformedbyalterableangleellip2sometry.And
theeffectofproducingconditionstoopticalpropertiesatvisibleregionwasdiscussed.ThecharacteristicandrangeofuseingDC2magnetronsputtering,RF2magnetronsputteringandreactivemag2netronsputteringwerediscussedhereaswell.
Keywords:magnetronsputtering;thinfilms;ellipsometry
第24卷第1期
2007年 1月贵州大学学报(
自然科学版)JournalofGuizhouUniversity(NaturalSciences)Vol.24No.1Jan.2007文章编号 1000-5269(2007)01-0068-03
磁控溅射真空制膜技术
余 平,任雪勇,肖清泉,张晋敏
(贵州大学计算机科学与技术学院电子科学系,贵州贵阳550025)
摘 要:利用JGP-560CⅧ型带空气锁的超高真空多功能溅射系统在Si(100)和玻璃基底上沉积了介质薄膜、半导体薄膜、金属薄膜和磁性薄膜,通过实验研究得到各种薄膜较好的镀膜条件;并采用可变入射角椭圆偏振光谱仪对其中一些薄膜的光学性质进行了分析,研究了制备条件对薄膜在可见光范围内光学性质的影响;我们还研究了直流溅射、射频溅射、反应溅射的特点和它们的适用范围。
关键词:磁控溅射;薄膜;椭偏仪
中图分类号:TN304 文献标识码:A
0 引言
,与蒸发法相比,具有镀膜层与基材的结合力强,。在微电子、光学薄膜、材料等方面用于薄膜的沉积、Gr首次描述溅射这种物理现象,20世纪40年代溅射技术作为一种。本文利用JGP-560CⅧ型带空气锁的超高真空多功能溅射系统制备Fe/Si膜,并以此为例研究了制备条件和激光处理条件对薄膜光学性质的影响。
1 磁控溅射的原理和特点
溅射是一个在离子与物质表面原子碰撞过程中发生能量与动量转移、最终将物质表面原子激发出来的复杂过程。溅射过程中Ar以几十电子伏以上的能量直接轰击材料表面,使其表面原子获得足够的能量以克服表面束缚能,同时以一定的能量进入真空室中并沉积到基片表面。受轰击的固体通常称为靶材,溅射出的物质都呈原子状态,也可能有原子团,常称为溅射原子。
磁控溅射是在阴极靶表面上方形成一个正交电磁场。当溅射产生的二次电子在阴极位区被加速为高能电子后,并不直接飞向阳极,而是在正交电磁场作用下作来回振荡的近似摆线的运动。在运动中高能电子不断的与气体分子发生碰撞,并向后者转移能量,使之电离而本身变为低能电子。这些低能电子最终沿磁力线漂移到阴极附近而被吸收,从而避免了高能电子对基板的强烈轰击,一般电子要经过上百米的飞行才能最终被阳极吸收,磁控溅射的电离效率很高,易于放电。
磁控溅射的使用范围很广,可制备成靶材的各种材料均可以此方法制备成薄膜材料,包括各种金属、半导体、铁磁材料、绝缘的氧化物、陶瓷、聚合物等物质
靶材物质与气体分子的化合物薄膜;
JGP-560型磁控溅射仪溅射室内共有五个靶位和六个基片位,其中两个电磁靶,两个永磁靶和一[1,2]+。在适当的条件下,可采用共溅方式沉积所需组分的混合物薄膜;也可以在溅射的放电气氛中加入氧、氮或其它活性气体,可反应沉积形成个射频靶,两个永磁靶可共溅,六个基片位中有一个可以加热。可以进行直流溅射、射频溅射、反应溅射、共溅射;直流溅射又称为阴极溅射或二极溅射。直流溅射可以很方便地溅射沉积各类合金薄膜,但这一方法的前提之一是靶材应具有较好的导电性。射频溅射是适用于各种金属和非金属材料的一种溅射沉积方法。它的优点是对靶材的导电性没有要求。反应溅射是在通入Ar气的同时通入相应的活性气体,
3收稿日期:2006-11-15
作者简介:余平(1980-),女,2004级硕士研究生;研究方向:微电子
。
第1期余平等:
磁控溅射真空制膜技术・69・使金属原子与活性气体在溅射沉积的过程中,由溅射原子与活性气体分子在衬底表面发生化学反应而形成合金膜或化合物膜。同时活性气体可以抑制化合物的分解倾向。利用这种方法不仅可以制备Ai2O3、SiO2等氧化物,还可以制备碳化物、氮化物、硫化物、复合氧化物等。通过控制反应溅射过程中活性气体的压力,得到不同组分的薄膜,得到的沉积产物可以是合金固溶体,也可以是化合物,或两者的混合物。但在溅射过程中,随着活性气体压力的增加,靶材表面也可能形成一层相应的化合物,并导致溅射和薄膜沉积速率的降低。反应溅射既可以是直流反应溅射,也可以是射频反应溅射。共溅射是使用两个由不同材料制备的阴极靶,同时进行溅射,通过调节阴极靶上溅射放电电流,来改变薄膜的成分还可以在一个主要的靶材的表面,固定或粘贴其它材料薄片,实现共溅。[3]。
2 实验
211 样品制备
衬底的清洗:先用丙酮超声清洗10分钟除去油污,,放入无水乙醇中再超声清洗10分钟,再用去离子水冲洗干净,放入干燥箱烘干。10分钟,以除去表面的污染物、氧化物和附着物。本文中所使用的溅射装置是中科院沈科仪生产的JGP统。基底采用Si(100)或载玻片,。以(FeSi)10为例,薄膜的生长条件如下:靶材是纯度为991,本底真空度优于210×10-5Pa,溅射气体为991999%高纯Ar气,0Pa,气体流量为30sccm,溅射功率约为100W。溅射过程中基片可在±20;薄膜的厚度通过控制溅射时间来控制。
实验中发现,,有一个最佳气压值。气压过高时使溅射的原子与气体碰撞几率增加,导致沉积速率下降,薄膜的牢固性变差,当压力较低时,由于放电减弱甚至难以维持辉光,沉积速率会降低。同时为使镀膜实验得以顺利进行,必须保持一定的功率。当功率较小时,辉光放电难以维持,当功率过大时,溅射率急剧增大,靶材温度过高,溅射原子在基片上凝结的核很多,而且核处于比较高的能量状态,会导致薄膜内部存在比较大的应力。
212 分析方法
溅射沉积的Fe/Si膜,随后用脉冲激光扫描的方式进行退火处理,激光扫描间隔为0101mm,激光处理电流分别为18A(2#)、17A(3#)、16A(4#)、15A(6#);处理后的样品用日本理学D/Max-2200型全自动X-射线衍射仪测量其晶体结构,用Ellip-A型全自动椭圆偏振光谱仪测量其光学性质,测量入射角为75°、70°、65°,测量的光子能量范围是115eV～415eV。并用扫描电子显微镜(SEM)观察其表面的显微形貌。
3 结果与讨论
311 XRD和SEM分析
θ=18128°图1为3#样品的XRD图,图中位于2的较强峰是β-FeSi2,除此之外,还可以看到α-
FeSi2、FeSi和未反应的Fe的衍射峰,表明所制备的膜为多晶态混合相结构。从2#的SEM图像(图2)可以看到,该薄膜有明显的晶粒,但不均匀,从而验证了上述结果。
312 Fe/Si膜的光学性质
图3为不同功率激光扫描后Fe/Si膜在入射角为75°时的椭偏光谱;总的看来,相同条件下沉积的薄膜用不同的激光功率处理后,其光谱有相似的变化趋势,吸收系数在310eV发生巨大变化,样品2#、3#、4#的吸收系数明显增加,即在可见光范围内存在吸收边。6#样品由于激光处理电流较小,对样品基本起不到退火的作用,所以光谱曲线与其它几支相差较大。
4 结论
1)磁控溅射制备的非晶膜经过一定功率的激光扫描,对薄膜处理起到退火的作用,生成了α和β
・70・贵州大学学报(自然科学版)第24
卷
图1 3#的XRD图
图2 2#的SE
M图像
图3 FeSi样品的折射率和吸收系数
相的FeSi处理后的样品有明显的晶粒2;如果要得到单一相的FeSi2膜,必须严格控制薄膜的处理条件。
生成,但不均匀,呈多晶状态。
2)激光功率在16-19A时明显改变了薄膜的光学特性,引起吸收系数在310eV附近明显增大,即在可见光范围内存在吸收边,同时激光导致的样品表面损伤十分明显。当处理电流小于16A时,对薄膜光学性质影响极小。
-53)对Fe/Si膜,较好的制膜条件是:本底气压2×10Pa,工作气压210Pa,气体流量30sccm,溅
射功率100W左右。
(下转第86页)
・86・贵州大学学报(自然科学版)第24卷
[2]EATALKHAN,IRMANOUR,AIBARBOOR.InvestigationoftheEffectofDrift2Field2DePendentMorbilityonMOSFETCharacteristics[J].
PartsIandII,IEEETrans.onElectronDevices,ED219(8):899-916,1972.
[3]EWJUSTH,FJKUB,AnalogCMOShigh2frequencycontinuouswavelettransformcircuit[J].ElectronicsLetters,1999,35(l):4-5.
[4]张建人.OS集成电路分析与设计基础[M].北京:电子工业出版社,1987.
[5]童诗白.拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,1999.
[6]PE艾伦,DR霍尔伯格.CMOS模拟电路设计[M].北京:科学出版社,1995.
Theresearchtoimprovethelinearizationtechniquesof
transconductanceamplifier
SHIShu2chun,WANGGuo2wei
(DepartmentofPhysics,LanzhouCityUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)
Abstract:Thebasicconceptsandcharacteristicsaboutthecurrentmodelandtransconductor(gm)havebeengiven,themethodofenhancinglinearofofinputendandenlarginglinearareaareinvestigatedandproposed.
Keywords:OperationalTransconductancethecurrentmodelcircuit;Linear2ization
(上接第70页)
参考文献:
[1]HBIEDERMAN.RFsputteringofpolymersanditspotentialapplication[J].Vacuum,2000,59:594-599.
[2]GUANGZETANG,XINXINMA,MINGRENSUN,XIAODONGLi.Mechanicalcharacterizationofultra2thinfluorocarbonfilmsdepositedbyR.
F.magnetronsputtering[J].Carbon.2005,43:345-355.
[3]RWUHRER,WYYEUNG.Astudyonthemicrostructureandpropertydevelopmentofd.c.magnetronco2sputteredternarytitaniumaluminium
nitridecoatings,PartⅡ[J].Journalofmaterialsscience.2002,37:3477～3482
Filmsmaterialspreparedbymagnetronsputtering
YUPing,RENXue2yong,XIAOQing2quan,ZHANGJin2min
(DepartmentofElectronScience,CollegeofComputerScience&Teehnolege,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025,China)
Abstract:Weproducedmediumfilms,semiconductorfilms,metalfilms,magneticfilmsonSi(100)andglasssubstratesbyJGP2560CⅧmagnetronsputteringsystemandgavethepropitiousconditionsforpreparingfilmsintheseexperiments.Thentheopticalpropertieswereperformedbyalterableangleellip2sometry.And
theeffectofproducingconditionstoopticalpropertiesatvisibleregionwasdiscussed.ThecharacteristicandrangeofuseingDC2magnetronsputtering,RF2magnetronsputteringandreactivemag2netronsputteringwerediscussedhereaswell.
Keywords:magnetronsputtering;thinfilms;ellipsometry