脈沖磁控濺射制備氧化鋁涂層的結(jié)構(gòu)和性能控制(上)

清華大學(xué) ■ 范崇治 譯 殷志強(qiáng) 校

一 引言

氧化鋁薄膜包含有若干有用特性，包括低折射系數(shù)、高電阻率、高硬度和耐用性，因此廣泛應(yīng)用于光學(xué)和微電子領(lǐng)域，也可用于切割工具。氧化鋁的化學(xué)惰性使它作為耐腐蝕和氧化環(huán)境下金屬元件涂層的侯選材料。

但直到最近，在復(fù)雜元件的表面進(jìn)行全致密、無缺陷的氧化涂層沉積證明是非常困難的。在可控氧氣情況下反應(yīng)直流磁控濺射金屬靶而沉積氧化涂層，也可用射頻法完成。在濺射過程中，離開主軌道的靶區(qū)有一層絕緣層，即靶“中毒”，這樣靶的接地屏蔽被遮蓋，絕緣不斷充電直到電弧產(chǎn)生而損壞，從靶面上以碎片形式彈射下來，會(huì)導(dǎo)致薄膜的缺陷，傷害薄膜的光學(xué)和抗腐蝕性質(zhì)。此外靶上的破損成為進(jìn)一步放電的區(qū)域，導(dǎo)致電弧發(fā)生頻率的增加，該過程有反饋環(huán)控制，弧會(huì)阻止工藝的穩(wěn)定運(yùn)行，沉積參數(shù)快速波動(dòng)，反過來能影響薄膜的化學(xué)配比，總之在反應(yīng)濺射工藝中電弧能導(dǎo)致一系列的問題，它會(huì)影響結(jié)構(gòu)、成分和膜的特性，也可能導(dǎo)致磁控電源的損壞。但最近開發(fā)脈沖磁控濺射(PMS)工藝克服了許多在反應(yīng)濺射模式下遇到的問題。發(fā)現(xiàn)了脈沖磁控放電在中頻范圍(10～200kHz)時(shí)，沉積絕緣膜可大大地減少弧的發(fā)生，因此減少了缺陷的形成，例如Schiller發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)沉積Al2O3時(shí)，頻率從10～50kHz變化，膜的缺陷密度減小了若干數(shù)量級，脈沖放電使反應(yīng)沉積過程穩(wěn)定，這使得Frach研究者得到了50μm厚的實(shí)際無缺陷沉積，也有人報(bào)導(dǎo)了PMS過程的高速沉積率。若干研究者發(fā)現(xiàn)脈沖磁控濺射氧化物涂層能達(dá)到純金屬沉積系的50%～75%，這一速率大大高于直流反應(yīng)磁控濺射的典型值，直流磁控典型工作在靶電壓為-500～-400V，在脈沖濺射工藝中，靶電壓達(dá)到這樣大時(shí)其時(shí)間是受限制的，以致絕緣層的充電不能達(dá)到雪崩和產(chǎn)生電弧，在電壓去掉時(shí)靶電壓是反向的，電量就通過等離子耗散掉，在等離子體中電子比離子具有更大的遷移性，因此靶電壓只需返轉(zhuǎn)到工作電壓的10%，也就是+40～+50V即可(在此情況下工作時(shí)被稱為不對稱雙極脈沖濺射)。

PMS過程的有效性大大增加高質(zhì)量高沉積率氧化物涂層的適用性，它吸引了很多從商者的興趣，本研究的目的是詳細(xì)研究利用PMS沉積氧化鋁涂層的過程。開始對理想配比的氧化鋁涂層進(jìn)行系統(tǒng)的研究，由此出發(fā)制備了一批涂層，其成分從純鋁到Al2O3，所有情況下都未發(fā)生電弧，對涂層的結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行了分析，在這里報(bào)告結(jié)果，提出新結(jié)構(gòu)區(qū)的模型，描述從涂層組分上分析結(jié)構(gòu)和特性的關(guān)系。

二 實(shí)驗(yàn)

這里描述的所有的涂層都是在 UPD 450(產(chǎn)自Teer Coating公司)閉合磁場不平衡磁控濺射裝置(CFUBMS)上進(jìn)行。這裝置通常安裝有300mm×100mm垂直相對、不平衡的磁控系統(tǒng)，磁極形成一個(gè)閉場，也就是磁控是反極性的，在這里磁力線通過反應(yīng)室閉合，避免電子由等離子體到小空壁的丟失，從而保持一個(gè)在基材空間濃密的等離子體，因此，膜的生長與離子轟擊同時(shí)發(fā)生，它能促進(jìn)致密涂層的形成。

反應(yīng)濺射過程利用譜線監(jiān)測，光學(xué)發(fā)射監(jiān)測器(OEM)調(diào)到鋁發(fā)射譜396nm，靶電流逐漸增加，純Al膜沉積4min，這使放電也趨于穩(wěn)定，應(yīng)用薄(約100nm)金屬中間層來改善陶瓷復(fù)蓋層與金屬基底的粘結(jié)度，它在商業(yè)上廣泛應(yīng)用，這時(shí)OEM信號(hào)被認(rèn)為是“100%”金屬信號(hào)，反應(yīng)氣體(氧氣)開始進(jìn)入小室，直到OEM信號(hào)下降至事先確定的數(shù)值，它是初始100%金屬信號(hào)值的某一百分比值，信號(hào)值在余下沉積過程中用反饋環(huán)來維持，UDP 450設(shè)備包括反應(yīng)反饋環(huán)，如圖1所示。

圖1 Teer涂層有限公司450涂層設(shè)備示意圖

所有涂層沉積采用DC電源，連接一個(gè)20kHz固定頻率的脈沖單元，20kHz單元是Advanced Energy SPARC-LE20單元，串聯(lián)一個(gè)Advanced Energy MDX磁控驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)類似的設(shè)備用于基材偏壓電源，這樣雖未調(diào)節(jié)脈沖頻率，接到磁控的電源，在電壓模式下工作。

正如早先所述，工作的第一階段是研究理想配比氧化鋁涂層的沉積，利用Taguchi 方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，該方法利用離散因素陣列，從有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)目中得到優(yōu)化的信息量，它是一種非常有效的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)陣列是有用的，它允許實(shí)驗(yàn)條件從系統(tǒng)形式變化，用響應(yīng)變量來估計(jì)每次結(jié)果，也就是，在此情況下，一個(gè)測量涂層的性能，例如硬度或成分，結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，且對在陣列中的每個(gè)單獨(dú)參數(shù)對響應(yīng)變量的效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，響應(yīng)變量應(yīng)用ANOVA-TM軟件進(jìn)行計(jì)算。

對本研究，選擇L9陣列，這個(gè)陣列允許4個(gè)參數(shù)在3個(gè)水平上變化，Salford大學(xué)的初步研究是針對氧化鋁涂層的沉積，以及CFUBMS系統(tǒng)的其他研究已經(jīng)認(rèn)定哪些沉積參數(shù)對沉積涂層的性能影響最大。這樣陣列的4個(gè)參數(shù)是OEM(光學(xué)發(fā)射監(jiān)視器)信號(hào)的減小、基材偏壓、靶電流和基材與靶的距離，涂層是沉積在恒定氣壓1mTorr下，L9陣列的運(yùn)行條件見表1，在此陣列中OEM信號(hào)表現(xiàn)為初始100%金屬時(shí)信號(hào)的百分之若干，也就是信號(hào)的減小量越小，反應(yīng)氣體允許進(jìn)入反應(yīng)室的量越大，結(jié)果靶的中毒效應(yīng)越大。

表1 Taguchi L9陳列為詳細(xì)研究氧化鋁涂層

為了分析方便，涂層是沉積在不同的基材上的，包括硅片和掃描電子顯微鏡(SEM)用的拋光的針狀物。X光衍射儀(XRD)用來分析沉積在硅片上的涂層，工作在θ～2θ 模式(Cu Kα輻射)，用Philips X-PERT系統(tǒng)在選擇的衍射峰值處進(jìn)行直線輪廓分析，將小片基材裝到架子上，以便用掃描電子顯微鏡檢查，樣品采用透射電子顯微鏡(TEM)檢查，在針狀物上沉積涂層的成分利用JEOL JXA-5OA微分析儀分析，它具有波長色散的X光分析，分析中采用高純度的鋁標(biāo)準(zhǔn)，其氧成分由差異確定，最后，涂層硬度的測量用Micro Materials Nano Test 550，涂層電阻用4點(diǎn)探針測定。

用初始陣列得到信息后，下一步是建立第二個(gè)陣列，其中涂層的成分由純鋁變成Al2O3，此時(shí)只有OEM信號(hào)改變，其他沉積參數(shù)保持不變，選擇純金屬信號(hào)的100%、85%、70%、55%、40%和20%，相關(guān)沉積參數(shù)值；靶電流為6A，基材偏置電壓為-50V，壓強(qiáng)為1mTorr，基材到靶的距離為110mm。同樣，磁控驅(qū)動(dòng)器也工作在恒流模式，以允許靶電壓浮動(dòng)，對陶瓷的沉積率大大低于金屬，沉積時(shí)同隨著OEM信號(hào)變化，以便得到相似的厚度，同樣，這些都用SEM、TEM、XRD、4點(diǎn)探針和納米識(shí)別技術(shù)來檢驗(yàn)。 (待續(xù))