第一:靶面金屬化合物的形成。
由金屬靶面通過反應(yīng)濺射工藝形成化合物的過程中,化合物是在哪里形成的呢?由于活性反應(yīng)氣體粒子與靶面原子相碰撞產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成化合物原子,通常是放熱反應(yīng),反應(yīng)生成熱必須有傳導(dǎo)出去的途徑,否則,該化學(xué)反應(yīng)無法繼續(xù)進(jìn)行。在真空條件下氣體之間不可能進(jìn)行熱傳導(dǎo),所以,化學(xué)反應(yīng)必須在一個固體表面進(jìn)行。反應(yīng)濺射生成物在靶表面、基片表面、和其他結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行。在基片表面生成化合物是我們的目的,在其他結(jié)構(gòu)表面生成化合物是資源的浪費,在靶表面生成化合物一開始是提供化合物原子的源泉,到后來成為不斷提供更多化合物原子的障礙。
第二:靶中毒的影響因素
影響靶中毒的因素主要是反應(yīng)氣體和濺射氣體的比例,反應(yīng)氣體過量就會導(dǎo)致靶中毒。反應(yīng)濺射工藝進(jìn)行過程中靶表面濺射溝道區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)被反應(yīng)生成物覆蓋或反應(yīng)生成物被剝離而重新暴露金屬表面此消彼長的過程。如果化合物的生成速率大于化合物被剝離的速率,化合物覆蓋面積增加。在一定功率的情況下,參與化合物生成的反應(yīng)氣體量增加,化合物生成率增加。如果反應(yīng)氣體量增加過度,化合物覆蓋面積增加,如果不能及時調(diào)整反應(yīng)氣體流量,化合物覆蓋面積增加的速率得不到抑制,濺射溝道將進(jìn)一步被化合物覆蓋,當(dāng)濺射靶被化合物全部覆蓋的時候,靶完全中毒。
第三:靶中毒現(xiàn)象
(1)正離子堆積:靶中毒時,靶面形成一層絕緣膜,正離子到達(dá)陰極靶面時由于絕緣層的阻擋,不能直接進(jìn)入陰極靶面,而是堆積在靶面上,容易產(chǎn)生冷場致弧光放電---打弧,使陰極濺射無法進(jìn)行下去。(2)陽極消失:靶中毒時,接地的真空室壁上也沉積了絕緣膜,到達(dá)陽極的電子無法進(jìn)入陽極,形成陽極消失現(xiàn)象。
第四:靶中毒的物理解釋
(1)一般情況下,金屬化合物的二次電子發(fā)射系數(shù)比金屬的高,靶中毒后,靶材表面都是金屬化合物,在受到離子轟擊之后,釋放的二次電子數(shù)量增加,提高了空間的導(dǎo)通能力,降低了等離子體阻抗,導(dǎo)致濺射電壓降低。從而降低了濺射速率。一般情況下磁控濺射的濺射電壓在400V-600V之間,當(dāng)發(fā)生靶中毒時,濺射電壓會顯著降低。(2)金屬靶材與化合物靶材本來濺射速率就不一樣,一般情況下金屬的濺射系數(shù)要比化合物的濺射系數(shù)高,所以靶中毒后濺射速率低。(3)反應(yīng)濺射氣體的濺射效率本來就比惰性氣體的濺射效率低,所以反應(yīng)氣體比例增加后,綜合濺射速率降低。
第五:靶中毒的解決辦法
(1)采用中頻電源或射頻電源。
(2)采用閉環(huán)控制反應(yīng)氣體的通入量。
(3)采用孿生靶
(4)控制鍍膜模式的變換:在鍍膜前,采集靶中毒的遲滯效應(yīng)曲線,使進(jìn)氣流量控制在產(chǎn)生靶中毒的前沿,確保工藝過程始終處于沉積速率陡降前的模式。
靶表面金屬原子濺射比較容易,當(dāng)把表面變?yōu)?/span>金屬氧化物再濺射就不容易。一般需要射頻濺射。
離子轟擊使靶表面金屬原子變得非常活潑,加上靶溫升高,使靶表面反應(yīng)速率大大增加。這時靶面同時進(jìn)行著濺射和反應(yīng)生成化合物兩種過程。如果濺射速率大于化合物生成率,靶就處于金屬濺射態(tài);反之,反應(yīng)氣體壓強(qiáng)增加或金屬濺射速率減少,靶就可能突然發(fā)生化合物形成速率超過濺射速率而停止濺射。
為了減輕靶中毒現(xiàn)象,技術(shù)人員常用以下方法解決:(1)將反應(yīng)氣體和濺射氣體分別送到基片和靶附近,以形成壓強(qiáng)梯度;(2)提高排氣速率;(3)氣體脈沖導(dǎo)入;(4)等離子體監(jiān)視等。
靶中毒是由于在濺射過程中帶正電的離子聚集在靶表面,沒有得到中和,出現(xiàn)靶表面負(fù)偏壓逐步下降,最后干脆罷工不工作了,這就是靶中毒現(xiàn)象。
靶材中毒主要原因是介質(zhì)合成速度大于濺射產(chǎn)額(氧化反應(yīng)氣體通入太多),造成導(dǎo)體靶材喪失導(dǎo)電能力,只有提高擊穿電壓,才能起輝,電壓過高容易發(fā)生弧光放電?,F(xiàn)象:靶電壓長時間不能達(dá)到正常,一直處于低電壓運行狀態(tài),并伴有弧光放電;靶表面呈現(xiàn)白色附著物或密布針狀灰色放電痕跡。若要徹底杜絕靶中毒,必須用中頻電源或射頻電源代替直流電源;減少反應(yīng)氣體的通入量、提高濺射功率,清理靶材上的污染物(特別是油污)、選用真空性能好的防塵滅弧罩等方法均可有效防止靶中毒現(xiàn)象的發(fā)生。靶材內(nèi)冷卻水浸泡的磁鐵,有污漬,只要磁場強(qiáng)度足夠,冷卻效果良好,對靶材影響不大。
污漬影響不大~打火是有絕緣部位造成的,一般是局部中毒或者臟物。靶材中毒是因為功率密度太低,相對于過量的反應(yīng)氣體不能及時蒸發(fā)掉(或濺射),會殘留靶材表面,造成導(dǎo)電性能下降,從而進(jìn)入中毒狀態(tài)。輕者無法起輝光,重者報廢電源。