RF—PECVD方式沉積DLC膜中邊界擾動現(xiàn)象的探討研究

白凱鑫++朱震++雷亞貴++陳生

【摘 要】類金剛石膜（Diamond Like Carbon）因其優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，如高紅外透過率，高硬度，低摩擦系數(shù)，高耐腐蝕性，高電阻率，高導(dǎo)熱率，高化學(xué)穩(wěn)定性等，被科學(xué)界譽為二十一世紀的全能材料。本文通過對一起掉膜成因的定性分析，利用等離子體的基本特性，將放電區(qū)域內(nèi)的基片的工作狀態(tài)等效為電路，根據(jù)歐姆定律及類金剛石的成膜原理，探索性的建立了“邊界擾動”的概念。

【關(guān)鍵詞】DLC RF--PECVD 等離子體 邊界擾動

1 引言

隨著軍事技術(shù)及航空航天技術(shù)的發(fā)展，紅外技術(shù)越來越受到人們的重視，在軍事航天領(lǐng)域有著舉足輕重的作用。但紅外元件的工作環(huán)境往往非常惡劣，而用作紅外的窗口材料如Ge，ZnS，ZnSe，GaAs，氟化鎂（MgF2），藍寶石，尖晶石等在應(yīng)用中都存在一些問題，比如Ge在高溫時透過率下降，ZnS耐濕性差，ZnSe雖然紅外透過率高，但機械強度和耐腐蝕性差等等，當在這些材料表面鍍上DLC保護膜后，這樣的紅外窗口既有較高的紅外透過率，又有很好的綜合性能抵抗惡劣的環(huán)境且制備成本低，因此是目前普遍采用的方法。

DLC膜的制備方式有很多種，主要分為物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積。目前在光學(xué)級DLC應(yīng)用方面廣泛采用的沉積方式是等離子體增強化學(xué)氣相沉積，常用的等離子體增強化學(xué)氣相沉積法有兩種：直流（DC--PECVD）法和射頻（RF--PECVD）法。DC--PECVD法沉積薄膜的優(yōu)點易于控制極板負偏壓，可以對極板負偏壓進行大幅度調(diào)節(jié)，缺點是沉積絕緣薄膜時，薄膜表面積累大量電荷，這些電荷會阻礙薄膜生長，使薄膜的沉積速率降低，薄膜厚度減少。采用射頻等離子體增強化學(xué)氣相沉積（RF--PECVD）法，有效的解決了表面電荷積累問題，從而提高了沉積速度。

RF--PECVD分為感應(yīng)圈式和平行板電容耦合式兩種，感應(yīng)圈式存在沉積速率低且膜層質(zhì)量較差等問題，因此實際中多采用平行板電容耦合式。用這種方法制備薄膜，沉積速率高，膜層致密均勻，穩(wěn)定性好，本文涉及的實驗設(shè)備就屬于這種類型。

用射頻等離子體增強化學(xué)氣相沉積（RF--PECVD）法沉積DLC膜時，會出現(xiàn)邊緣和中部的膜厚差異，特別是波長在5微米以下時，僅憑肉眼就可以看到色環(huán)。色環(huán)的出現(xiàn)是由于膜層的物理厚度不同造成的，邊緣的厚度大于中部。色環(huán)的出現(xiàn)不僅影響外觀而且對高品質(zhì)成像也有影響，對膜厚差異產(chǎn)生的原因在下面的實驗中進行了探索性的研究，為制備高均勻性DLC膜提供了依據(jù)，此實驗也是工藝生產(chǎn)中一個真實事件。

2 實驗過程

2.1 實驗設(shè)備

沈陽科學(xué)儀器廠生產(chǎn)平行板電容耦合式RF--PECVD設(shè)備，設(shè)備外觀見圖1，設(shè)備內(nèi)部沉積電極結(jié)構(gòu)見圖2。該設(shè)備主要由真空沉積系統(tǒng)，真空抽氣系統(tǒng)，氣路系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)以及控制面板組成。

需要鍍制的基片是直徑為280mm的硅片，因為是雙平片，為了防止背面被設(shè)備的極板劃傷，在基片的底部裝有鋁質(zhì)金屬夾具，夾具的外徑288mm，壓邊1mm深度1mm。鍍制過程完全按照工藝文件進行，當基片鍍制完成從真空室取出后，發(fā)現(xiàn)距基片邊緣1厘米左右的環(huán)行區(qū)域內(nèi)的膜層全部脫落，基片中部膜層完好的奇怪現(xiàn)象，在排除了工藝參數(shù)的影響后，最后確定造成這個問題的原因就是1mm深度的金屬夾具。

2.2 分析過程

射頻放電系統(tǒng)中，一般有一個電極接地，放電時在不接地的那個電極上出現(xiàn)負的直流偏壓，這就是所謂的電極自偏壓現(xiàn)象。從圖2中可以看到上極板接地，下極板及硅基片工作在負偏壓狀態(tài)下。輝光放電產(chǎn)生等離子體，源氣體（如甲烷，丁烷等）分解成各種中性粒子和帶電粒子，粒子之間相互碰撞發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，等離子體中的正離子在負偏壓的作用向下極板聚集，在硅基片表面形成正離子鞘層，正離子在鞘層中被加速撞擊硅基體表面，在分子量級上形成高溫高壓，這就是類金剛石膜的成因。

當硅基片加裝了金屬夾具后的狀態(tài)見圖3，從圖3中可以明顯的看到由于加裝了金屬夾具使得基片的中部區(qū)域與下極板之間形成懸浮狀態(tài)，邊緣則通過金屬夾具與下極板接觸，也就是說同一個基片的中部和邊緣工作在不同的狀態(tài)下。當不帶電的懸浮物插入到等離子體中時，由于等離子體中的電子和正離子都在進行熱運動，根據(jù)分子運動論，在單位時間內(nèi)落在單位面積上的粒子數(shù)（1.17）ne、 ni分別是等離子體中的電子濃度和正離子濃度，ve、vi 是電子和正離子各自的平均熱運動速度。如果正離子是單荷的，則ne=ni，所以他們的電流密度分別是（1.18）。

由于等離子體中ve比vi大，所以je>ji。于是懸浮物就出現(xiàn)負的凈電荷。由于金屬夾具使硅基片與工作在負偏壓狀態(tài)的下極板連接，因此硅基片處于負電壓狀態(tài)。等離子體具有集體準中性特性，當帶負電性的導(dǎo)體進入等離子體后其周圍會有正電荷聚集，以抑制其對等離子體準中性的破壞。因此硅基片的表面聚集有正電荷。假設(shè)正電荷形成的電位為Ug，下極板電位即放電區(qū)域最低電位為Us，在懸浮區(qū)域形成一個電位差為Ug-Us的電場，在這個電場的作用下電子由下基板向硅基片快速移動。

為了進一步說明懸浮區(qū)域?qū)Τ练e的影響，將放電區(qū)域內(nèi)的工作狀態(tài)等效為電路見圖4，圖中R為硅基體上表面的離子鞘層，放電區(qū)域的大部分能量消耗在這部分，即DLC的成膜區(qū)域。R1為金屬夾具與硅片之間的接觸電阻及夾具自身電阻之和，R2為基片的中部懸浮區(qū)域等效電阻。由于它們工作在同一區(qū)域，因此可以等效為并聯(lián)狀態(tài)。圖中A點為離子鞘層上部等離子體的電位（如果忽略上極板的電子鞘層，這個鞘層的電位差很小，那么A點電位近似為上極板電位）；B點為下基板的電位即放電區(qū)域的最低電位。AB之間的電位差UP約等于自偏壓。

根據(jù)并聯(lián)電路的特性我們知道，當兩條支路的電阻阻值相差10倍以上，電流幾乎全部從低阻值支路通過。

以上比值是在假設(shè)電阻率相同的情況下，實際中R2的電阻率小于R1的電阻率。這是因為隨著硅基片表面的正電荷的增加，懸浮區(qū)域鞘層的厚度會增加，鞘層內(nèi)粒子的運動速度變快密度變大，根據(jù)公式2可知電流會變大；懸浮區(qū)域的電子數(shù)增加又會吸引更多的正電荷，當達到一定值時懸浮區(qū)域接近導(dǎo)體。因此放電區(qū)域的大部分電流通過懸浮區(qū)域流通。

放電區(qū)域的電壓是不變的，因為R1≥70R2根據(jù)歐姆定律可知I1≤70I2，又根據(jù)電功率的公式P=U×I ，可知P1≤70P2，P1為圖3中深色區(qū)域的功率即金屬夾具與硅基片接觸的環(huán)形區(qū)域，P2為圖3中淺色區(qū)域的面積即懸浮區(qū)域的面積，所以硅片邊緣的功率遠低于硅片中部的懸浮區(qū)域。

2.3 邊界擾動

比功率密度過低，電場供給反應(yīng)氣體粒子平均能量不足以打開C-H鍵，或讓C鍵合理重組時，不能成膜。過高時，粒子對膜層注入能量過大，會破壞已形成的C-H鍵，因而也無法成膜。所以比功率密度必須在一個合適的范圍內(nèi)。硅基片的下部雖然形成R1R2區(qū)域，但上部的正離子鞘層是一個整體。假設(shè)兩種極端的情況：第一R2區(qū)域良好的導(dǎo)電性吸引著R1區(qū)域的全部正離子加入其中，則R1區(qū)域的電流為零，根據(jù)電功率的公式則P為零，比功率密度也為零，所以無法成膜。第二 功率不變，正離子的減少相當于比功率密度公式中Py趨近于零，則比功率密度接近無窮大，因此也無法形成DLC膜。R1與R2的比值越大這種影響越明顯，就像是一種競爭的關(guān)系，結(jié)果愈強則愈強，愈弱則愈弱。對于同一個基片這種影響還有漸變的范圍，似乎是R1逐漸過渡到R2，所以脫膜不止在1mm壓邊的環(huán)形區(qū)域里，而是遠大于它的10mm左右的環(huán)形區(qū)域。我們將這種影響定義為邊緣擾動現(xiàn)象，它與相鄰區(qū)域的電阻比值有絕對關(guān)系，在實際中確實發(fā)現(xiàn)：直徑小于40mm的硅平片，裝金屬夾具不會出現(xiàn)邊緣掉膜現(xiàn)象。

2.4 驗證試驗

當把金屬夾具去除，用相同的工藝重新鍍制，邊緣掉膜的現(xiàn)象消失。膜層良好。

為了驗證這一結(jié)論，用直徑為：250mm 的硅片兩件，一件裝夾具（SEP1），另一件不裝（SEP2），用相同的工藝鍍制類金剛石膜，鍍制完成后做環(huán)境實驗（環(huán)境實驗條件： 溫度50℃；相對濕度95%；時間：24小時），結(jié)果見表1。

3 結(jié)果與討論

在輝光放電等離子體中，由于電導(dǎo)率不同的相鄰區(qū)域，邊緣出現(xiàn)相互擾動的現(xiàn)象，是普遍存在的。以驗證試驗的SEP2為例，SEP2的膜層出現(xiàn)色環(huán)，色環(huán)的出現(xiàn)依然是邊緣擾動的結(jié)果，與下基板相比，硅片自身的電阻是不能忽略的，因此在硅片的周邊與基板之間又形成了電導(dǎo)率不同的相鄰區(qū)域，受低電阻率的下基板影響，硅片周邊一定區(qū)域內(nèi)的功率密度也會增高，造成與中部的沉積速率不同，邊緣沉積速率大于中部。從DLC膜的成膜原理我們知道比功率密度是有一定范圍的，高于或低于這個范圍都無法沉積DLC膜。盡管硅片的周邊和中部的功率密度不同，但由于它們都在這個范圍內(nèi)，因此都沉積出良好的DLC膜。

4 結(jié)語

在工藝生產(chǎn)的過程中許多看似怪異的現(xiàn)象，其實背后都有本質(zhì)的原因，只要進行深入分析研究，就能找到規(guī)律，從而找到解決問題的方法，甚至?xí)行碌陌l(fā)現(xiàn)。

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