磁控濺射薄膜生長全過程的計算機模擬研究

2010-01-19 戴傳瑋復旦大學材料科學系

　　本文通過建立多尺度模型,結合模擬了磁控濺射中濺射原子的產生、濺射原子的碰撞傳輸、以及最終成膜的全過程,研究了基板溫度、濺射速率、磁場分布和靶材-基板間距對薄膜生長過程與薄膜性能的影響。模擬結果顯示,提高基板溫度或降低濺射速率都會增加初期生長階段薄膜的相對密度;磁場對靶的利用率有顯著的影響,而對薄膜最終形貌的影響不大;增大靶材-基板間距會降低薄膜的粗糙度。

　　磁控濺射自20 世紀70 年代誕生以來,因較高的沉積率和成膜質量而成為薄膜制備的重要手段之一,被廣泛應用于集成電路制造、特殊功能材料涂層以及材料改性等諸多領域。由于當前濺射成膜工藝的控制在很大程度上仍然依賴于實驗經驗,因此,模擬研究磁控濺射生長過程,對輔助濺射成膜工藝的實際操作有著重要的意義。

　　隨著計算機技術的迅猛發展,計算物理方法與傳統的理論研究和實驗研究的結合日趨緊密。許多國內外研究成功運用計算機模擬方法探討薄膜的生長機理,并提出多種模擬手段來重現與薄膜生長相關的物理過程,例如Smereka 等對晶面生長速度的研究;Volter 運用10原子環形模型對薄膜生長過程的模擬 ; Daw 和Baskes等提出了嵌入原子方法(EAM-embedded atom method) 用以計算勢函數,并將其應用于對面心立方晶體微觀性能的描述。然而,磁控濺射中各部分物理過程在空間和時間尺度上跨度較大,這樣多尺度問題的計算機模擬并不容易,因此對磁控濺射沉積薄膜全過程模擬的研究報道并不多見。在現有的個別全過程模擬方法中,通常對成膜過程進行一定的簡化,例如不涉及遷移和脫附等物理過程,這對模擬的精確性會產生一定的影響。

　　本文建立了一個多尺度模型,對磁控濺射薄膜生長的全過程進行了計算機模擬,研究了基板溫度、磁場分布及靶材- 基板間距對成膜的影響。首先應用PIC ( Particle-In-Cell)對濺射原子的產生進行模擬 ,并得到靶的刻蝕曲線;其次應用蒙特卡羅(MC Monte Carlo) 方法模擬原子在空間的碰撞傳輸過程;跟蹤原子到達基板后,利用蒙特卡羅方法對薄膜微觀生長過程進行三維模擬;最后采用帶電云方法(CIC Clouds In Cells) 得到薄膜宏觀形貌圖。結果顯示,初期生長階段,薄膜的密度隨著基板溫度的增加而增加,隨著濺射速率的增加而減小;薄膜宏觀形貌與靶的刻蝕曲線密切相關———薄膜最大厚度出現的位置與靶的刻蝕最深處相對應;隨著基板溫度的增加薄膜的厚度逐漸減小,而隨著靶材- 基板間距的增大,薄膜的厚度和粗糙度均會減小。

1、模型與方法

　　磁控濺射成膜過程由以下三個過程組成:

　　(1)濺射原子的產生———通過控制靶材上加載的電壓激發輝光放電,利用產生的離子對靶進行轟擊,得到濺射原子;

　　(2)濺射原子的傳輸———濺射原子在向基板運動的過程中,會不斷地與背景氣體發生碰撞,最終到達邊界或基板;

　　(3)原子在基板上的沉積———原子到達基板后,在基板表面發生吸附、遷移、脫附等物理過程,最后沉積在基板表面,形成薄膜。

　　本文中模擬的放電真空腔為圓柱形,其結構示意圖如圖1 所示。圓形的薄膜沉積基板(Substrate) 位于真空腔的頂部;同樣為圓形的濺射靶(Target ) 位于真空腔的下方;圓柱形中心磁極(S) 及圓環型外圍磁極(N) 則位于真空腔的底部,濺射靶的正下方。如圖所示,真空腔內徑R 為42mm,薄膜沉積基板半徑為40mm,濺射靶半徑為26mm,中心磁極半徑為6mm,外圍磁極截面寬度為5mm,兩磁極間距15mm,靶材與基板的間距為Z �；褰拥刈鳛殛枠O,靶為陰極加直流負偏壓( - 450V) ,二次電子發射系數為0.3 ,背景氣體為氬氣,初始等離子體密度n = 1 ×10¹³m^{- 3} 。徑向邊界(0 ≤z ≤Z , r = R) 處為金屬,邊界上僅具有法向電場,其初始值為零,電場強度隨粒子流產生的壁電荷的累積而變化。模擬中采用的空間分辨率Δr=1mm、Δz=2mm ,時間步長Δt = 1 ×10^-10s。

磁控濺射結構示意圖