ICP预离化VHF磁控溅射的放电特性及离子性能

论文摘要

磁控溅射是极其重要的薄膜制备技术,在工业生产和科学研究领域都得到广泛应用。随着高端芯片制造中高离化金属膜的制备与刻蚀和具有特殊结构高生长密度薄膜的制备需求,高离化率、荷能离子辅助的磁控溅射得到特别关注。为了实现高离化率、荷能离子辅助的磁控溅射,低气压预离化磁控溅射成为可能的技术途径之一。这种技术采用辅助的等离子体产生装置,在低气压下放电,提供磁控溅射放电的离化“种子”,实现低气压的磁控溅射放电。由于这种方法需要在磁控溅射系统中增加预离化的辅助等离子体装置,技术比较复杂,而目前采用的多种预离化辅助等离子体装置普适性较差,工作气压范围差异较大,因此需要开展更多的研究工作来发展低气压预离化磁控溅射。近年来,对甚高频（VHF）磁控溅射技术的研究表明,通过提高磁控溅射的驱动频率,可以有效地提高离子能量,但是,离化率较低。如果采用低气压、甚至极低气压条件下的放电,通过降低离子碰撞损失,提高离化率,获得较高的离子通量密度,是实现高离化率、荷能离子辅助磁控溅射的可能途径。因此,本论文探索了采用感性耦合放电（ICP）等离子体,提供预离化等离子体环境,从而实现低气压VHF磁控溅射放电的技术途径。本论文通过不同放电气压（1 Pa、5Pa）下射频（13.56MHz）ICP预离化的甚高频（60MHz）磁控溅射放电性能及离子性能比较研究,获得了较低放电气压（1Pa）下、ICP放电预离化的甚高频（60MHz）磁控溅射放电的放电性能及离子性能;并研究了预离化VHF磁控溅射时,不同功率ICP放电对VHF磁控溅射放电特性的影响。研究结果表明:（1）在1Pa低气压下,采用13.56MHz ICP线圈放电,提供60MHz VHF磁控溅射放电的等离子体环境,可以实现ICP预离化的60MHz VHF磁控溅射放电。对于ICP预离化的VHF磁控溅射,靶的实际溅射功率与输入功率之比在26%左右,VHF磁控溅射的电源输入功率利用率比较低,放电功率因子cosφ最大值～0.19。根据靶溅射的放电功率P随放电电流I的变化关系分析,放电功率的耗散主要为射频鞘层中的离子消耗。根据靶溅射的放电I-V特性分析,溅射靶的电子约束效率比较低。根据放电阻抗特性分析,阻抗实部R随放电电流的增大关系表明鞘层对放电电阻起决定作用;阻抗虚部X的感性阻抗特性表明等离子体中电子惯性导致的电感对放电阻抗具有显著影响。（2）对于ICP放电预离化的VHF磁控溅射,由于放电气压的降低,等离子体中的碰撞过程减少,因此有效地提高了离子通量和离子能量。当溅射功率从1.5W增大到66.0W,离子通量密度在1.2×10-3-7.2×10-2 A m-2之间,是常规的60MHz VHF磁控溅射放电（放电气压5Pa）的4倍,是常规13.56MHz RF磁控溅射放电（放电气压5Pa）2倍。离子速度分布函数IVDF呈窄的单峰分布特性,能量的单色性较好。当溅射功率在26.5-66.0 W时,最可几离子能量在35.4-40.2 eV之间。是常规60MHz VHF磁控溅射放电（放电气压5Pa）的2.4倍,是常规13.56MHz RF磁控溅射放电（放电气压5Pa）2.2倍。因此,通过对ICP放电预离化的VHF磁控溅射,可以有效地提高到达基底的离子通量密度和离子能量。（3）对于ICP预离化的VHF磁控溅射,在溅射放电稳定后继续保留ICP放电,使ICP放电与磁控溅射过程共存,ICP放电对VHF溅射放电的放电特性及离子性能具有影响。ICP放电的存在导致较低溅射功率下实际溅射功率与功率源入射功率比Psputtering/Pinput的增大、较高磁控溅射功率下实际溅射功率与功率源入射功率之比Psputtering/Pinput的降低,低电流（电压）区放电功率因子（cosφ）的增大、高电流（电压）区放电功率因子（cosφ）的降低,小电流区的体等离子体中电子消耗、较大电流区的射频鞘层中离子消耗两个功率耗散过程。ICP放电还导致较低ICP功率下离子通量密度的下降、较高ICP功率下离子通量密度的增大,提高了离子能量的单色性,并导致最可几离子能量的减小。因此,ICP辅助放电可以有效地增加低气压预离化VHF磁控溅射的离子通量密度,降低最可几离子能量,减小离子能量的发散性。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   §1.1 研究背景
•   §1.2 低气压预离化磁控溅射技术的研究进展
•   §1.3 本文研究内容
• 第二章 实验方法
•   §2.1 磁控溅射实验装置与实验条件
•   §2.2 测量分析方法
•     2.2.1 拒斥场能量分析仪（RFEA）测量溅射离子能量
•     2.2.2 射频V-I探针测量射频放电的电性能
• 第三章 ICP预离化VHF磁控溅射的放电特性及离子性能
•   §3.1 ICP预离化VHF磁控溅射的放电特性
•     3.1.1 放电功率
•     3.1.2 溅射的I-V特性
•     3.1.3 溅射的阻抗特性
•   §3.2 ICP预离化VHF磁控溅射放电的离子特性
•     3.2.1 离子通量密度
•     3.2.2 离子能量分布
• 第四章 ICP放电对预离化VHF磁控溅射放电特性及离子性能的影响
•   §4.1 ICP放电对预离化VHF磁控溅射放电特性的影响
•     4.1.1 放电功率
•     4.1.2 溅射的I-V特性
•     4.1.3 溅射的阻抗特性
•   §4.2 ICP放电对预离化VHF磁控溅射离子性能的影响
•     4.2.1 离子通量密度
•     4.2.2 离子能量分布
• 第五章 结论
•   §5.1 本文的主要研究结果
•   §5.2 存在的问题和进一步研究方向
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间公开发表的论文及科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 蒋阿敏

导师: 叶超

关键词: 甚高频磁控溅射,放电预离化,离子特性,放电特性

来源: 苏州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,物理学,材料科学,工业通用技术及设备

单位: 苏州大学

基金: 国家自然科学基金(项目批准号:11675118,11275136)

分类号: TB383.2;O461.2;O53

DOI: 10.27351/d.cnki.gszhu.2019.001581

总页数: 66

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