第一節(jié) 濺射靶材基本生產(chǎn)技術(shù)、工藝或流程

1、濺射靶材加工過程

集成電路制造用濺射靶材的加工過程主要包括：熔煉、均勻化處理、壓力加工、機(jī)械加工等過程，在嚴(yán)格控制靶材純度的基礎(chǔ)上，通過選擇不同的壓力加工過程、熱處理?xiàng)l件、機(jī)械加工條件，調(diào)整靶材的晶粒取向、晶粒尺寸等，最終滿足濺射過程的要求。下圖給出了Al合金靶材的生產(chǎn)過程。

高純Al合金靶材的生產(chǎn)過程

2、靶材中夾雜物的控制

若靶材中夾雜物的數(shù)量過高，在濺射過程中，易在晶園上形成微粒（particle），導(dǎo)致互連線短路或斷路，嚴(yán)重影響薄膜的性能。靶材中夾雜物絕大部分是在熔煉和鑄造過程形成，主要是由氧化物組成，還包括氮化物、碳化物、氫化物、硫化物、硅化物等。因此，在熔煉和鑄造過程中，應(yīng)選用由還原材料制造的坩堝、內(nèi)澆道、鑄模等，并在鑄造前徹底清除熔體表面的氧化物和其他熔渣。一般采用在真空或無氧環(huán)境下熔煉和鑄造。

3、靶材晶粒尺寸和晶粒取向的控制

靶材的晶粒尺寸、晶粒取向?qū)呻娐方饘俦∧さ闹苽浜托阅苡泻艽蟮挠绊?。采用不同晶粒組織的Al合金靶材進(jìn)行濺射鍍膜試驗(yàn)，對濺射薄膜的均勻性、沉積率進(jìn)行考察，結(jié)果表明晶粒尺寸和取向?qū)Π胁牡男阅苡泻艽蟮挠绊?，主要表現(xiàn)在：（1）隨著晶粒尺寸的增加，薄膜沉積速率趨于降低；（2）在合適的晶粒尺寸范圍內(nèi)，靶材使用時的等離子體阻抗較低，薄膜沉積速率高和薄膜厚度均勻性好；（3）在合適的晶粒尺寸范圍內(nèi)，晶粒取向越均勻越好；（4）當(dāng)靶材晶粒尺寸超過合適的晶粒尺寸范圍時，為提高靶材的性能，必須嚴(yán)格控制靶材的晶粒取向。

靶材的晶粒尺寸和晶粒取向主要通過均勻化處理、熱機(jī)械加工、再結(jié)晶退火進(jìn)行調(diào)整和控制。隨著晶園尺寸由8英寸向12英寸發(fā)展，濺射靶材的尺寸也逐步增大，為了保證晶園的薄膜質(zhì)量及成品率，必須嚴(yán)格控制靶材加工過程參數(shù)及參數(shù)的一致性，保證同一靶材上微觀結(jié)構(gòu)與組織的均勻性，以及不同批靶材之間質(zhì)量的一致性。

第二節(jié) 濺射靶材新技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用情況

1、濺射方法

濺射技術(shù)的成膜方法較多，典型方法有直流二極濺射、三極(或四極)濺射與磁控濺射等。

(一)二極濺射

二極濺射是最早采用，并且是目前最簡單的基本濺射方法。

直流二極濺射裝置由陰、陽極組成。用膜材(導(dǎo)體)制成的靶作為陰極，放置被鍍件的工件架作為陽極(接地)，兩極間距一般為數(shù)厘米至十厘米左右。當(dāng)真空室內(nèi)電場強(qiáng)度達(dá)到一定值后，兩極間產(chǎn)生異常輝光放電。等離子區(qū)中的Ar+離子被加速而轟擊陰極靶，被濺射出的靶材原子在基體上沉積形成薄膜。

如采用射頻電源作為靶陰極電源，又可做成二極射頻濺射裝置，這種裝置可以濺射絕緣材料。

(二)三極濺射

二極濺射方法雖然簡單，但放電不穩(wěn)定，而且沉積速率低。為了提高濺射速率以及改善膜層質(zhì)量，人們在二極濺射裝置的基礎(chǔ)上附加熱陰極，制作出三極濺射裝置。

三極濺射中，等離子體的密度可以通過改變電子發(fā)射電流和加速電壓來控制。離子對靶材的轟擊能量可以用靶電壓加以控制，從而解決了二極濺射中靶電壓、靶電流和氣壓之間相互制約的矛盾。

三極濺射的缺點(diǎn)在于放電不穩(wěn)定，等離子體密度不均勻引起的膜厚不均勻。為此，在三極濺射的基礎(chǔ)上又加了一個輔助陽極，這就形成了四極濺射。

(三)磁控濺射

磁控濺射又稱為高速低溫濺射。在磁場約束及增強(qiáng)下的等離子體中的工作氣體離子(如Ar+)，在靶陰極電場的加速下，轟擊陰極材料，使材料表面的原子或分子飛離靶面，穿越等離子體區(qū)以后在基片表面淀積、遷移最終形成薄膜。

與二極濺射相比較，磁控濺射的沉積速率高，基片升溫低，膜層質(zhì)量好，可重復(fù)性好，便于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。它的發(fā)展引起了薄膜制備工藝的巨大變革。

磁控濺射源在結(jié)構(gòu)上必須具備兩個基本條件：

(1)建立與電場垂直的磁場；

(2)磁場方向與陰極表面平行，并組成環(huán)形磁場。

在平面磁控靶結(jié)構(gòu)原理圖中可以看出，磁控濺射源實(shí)質(zhì)上是在二極濺射的陰極靶后面設(shè)置了磁鐵，磁鐵在靶面上產(chǎn)生水平分量的磁場。離子轟擊靶材時放出二次電子，這些電子的運(yùn)動路徑很長，被電磁場束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)沿跑道轉(zhuǎn)圈，在該區(qū)中通過頻繁地碰撞電離出大量Ar+用以轟擊靶材，從而實(shí)現(xiàn)了高速濺射。電子經(jīng)數(shù)次碰撞后能量逐漸降低，逐步遠(yuǎn)離靶面，最終以很低的能量飛向陽極基體，這使得基體的升溫也較低。由于增加了正交電磁場對電子的束縛效應(yīng)，故其放電電壓(500～600V)和氣壓(10-1Pa)都遠(yuǎn)低于直流二極濺射。

1）反應(yīng)磁控濺射

以金屬、合金、低價金屬化合物或半導(dǎo)體材料作為靶陰極，在濺射過程中或在基片表面沉積成膜過程中與氣體粒子反應(yīng)生成化合物薄膜，這就是反應(yīng)磁控濺射[3]。反應(yīng)磁控濺射廣泛應(yīng)用于化合物薄膜的大批量生產(chǎn)，這是因?yàn)椋?/p>

(1)反應(yīng)磁控濺射所用的靶材料(單元素靶或多元素靶)和反應(yīng)氣體(氧、氮、碳?xì)浠衔锏?純度很高，因而有利于制備高純度的化合物薄膜。

(2)通過調(diào)節(jié)反應(yīng)磁控濺射中的工藝參數(shù),可以制備化學(xué)配比或非化學(xué)配比的化合物薄膜，通過調(diào)節(jié)薄膜的組成來調(diào)控薄膜特性。

(3)反應(yīng)磁控濺射沉積過程中基板升溫較小，而且制膜過程中通常也不要求對基板進(jìn)行高溫加熱，因此對基板材料的限制較少。

(4)反應(yīng)磁控濺射適于制備大面積均勻薄膜，并能實(shí)現(xiàn)單機(jī)年產(chǎn)上百萬平方米鍍膜的工業(yè)化生產(chǎn)。

但是，直流反應(yīng)濺射的反應(yīng)氣體會在靶表面非侵蝕區(qū)形成絕緣介質(zhì)層，造成電荷積累放電，導(dǎo)致沉積速率降低和不穩(wěn)定，進(jìn)而影響薄膜的均勻性及重復(fù)性，甚至損壞靶和基片。為了解決這一問題，近年來發(fā)展了一系列穩(wěn)定等離子體以控制沉積速率，提高薄膜均勻性和重復(fù)性的輔助技術(shù)。

(1)采用雙靶中頻電源解決反應(yīng)磁控濺射過程中因陽極被絕緣介質(zhì)膜覆蓋而造成的等離子體不穩(wěn)定現(xiàn)象，同時還解決了電荷積累放電的問題。

(2)利用等離子發(fā)射譜監(jiān)測等離子體中的金屬粒子含量，調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體流量使等離子體放電電壓穩(wěn)定，從而使沉積速率穩(wěn)定。

(3)使用圓柱形旋轉(zhuǎn)靶減小絕緣介質(zhì)膜的覆蓋面積。

(4)降低輸入功率，并使用能夠在放電時自動切斷輸出功率的智能電源抑制電弧。

(5)反應(yīng)過程與沉積過程分室進(jìn)行，既能有效提高薄膜沉積速率，又能使反應(yīng)氣體與薄膜表面充分反應(yīng)生成化合物薄膜。

2）交流磁控濺射

和直流濺射相比交流磁控濺射采用交流電源代替直流電源，解決了靶面的異常放電現(xiàn)象。

交流濺射時，靶對真空室壁不是恒定的負(fù)電壓,而是周期一定的交流脈沖電壓。設(shè)脈沖電壓的周期為T，在負(fù)脈沖T—△T時間間隔內(nèi)，靶面處于放電狀態(tài)，這一階段和直流磁控濺射相似；靶面上的絕緣層不斷積累正電荷，絕緣層上的場強(qiáng)逐步增大；當(dāng)場強(qiáng)增大至一定限度后靶電位驟降為零甚至反向，即靶電位處于正脈沖△T階段。在△T時間內(nèi)，放電等離子體中的負(fù)電荷─電子向靶面遷移并中和了絕緣層表面所帶的正電荷，使絕緣層內(nèi)場強(qiáng)恢復(fù)為零，從而消除了靶面異常放電的可能性。

在靶面平均功率一定的前提下，負(fù)脈沖期間可以給靶施加更大的脈沖功率，因此交流濺射還可以在不改變靶的冷卻條件下增強(qiáng)基片附近的等離子體密度。

交流濺射(脈沖濺射)的電壓波形可以是對稱的，也可以是不對稱的。通常將輸出電壓波形為不對稱的矩形波的交流濺射方式稱為脈沖濺射(常用于單靶濺射)；而將輸出波形為對稱方波或正弦波的濺射方式稱為交流濺射(常用于對靶濺射)。當(dāng)交流濺射技術(shù)用于對靶濺射時，一個周期中每塊靶輪流充當(dāng)陰極和陽極，形成良好的“自清潔”效應(yīng)。在沉積多元合金或化合物薄膜時，還可以通過調(diào)節(jié)交變脈沖電壓的占空比來改變薄膜的組分。

3）非平衡磁控濺射

Window等人在1985年首先引入了非平衡磁控濺射的概念，并給出了非平衡磁控濺射平面靶的原理性設(shè)計。對于一個磁控濺射靶，其外環(huán)磁場強(qiáng)度與中部磁極的磁場強(qiáng)度相等或接近，稱為“平衡磁控濺射靶”；如果某一磁極的磁場相對于另一極性相反的部分增強(qiáng)或減弱，就形成了“非平衡磁控濺射靶”。

非平衡磁控濺射法通過附加磁場，將陰極靶面的等離子體引到濺射靶前200mm到300mm的范圍內(nèi)，使基片沉浸在等離子體中。這樣一方面濺射出來的粒子沉積在基片表面形成薄膜，另一方面等離子體轟擊基片，起到離子輔助的作用，極大的改善了膜層質(zhì)量。非平衡磁控濺射除了具有較高的濺射速率外，能夠向鍍膜區(qū)輸出更多的離子，離子濃度正比于濺射靶的放電電流。目前，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于制備各種硬質(zhì)薄膜。

非平衡磁控濺射的磁場又分閉合場和非閉合場兩種。閉合的磁場能夠控制電子只在磁場內(nèi)沿磁力線移動，避免了電子在真空室壁上的損失。

在靶面附近差別不大。在內(nèi)外磁極之間，通過橫向磁場對電子的約束，形成了電離度很高的等離子體區(qū)，在這個等離子區(qū)內(nèi)正離子對靶面有強(qiáng)烈的濺射作用。而在鍍膜區(qū)域內(nèi)，兩者的磁場分布的差別就大了。由于鏡像靶對兩個靶磁場的相互排斥作用，縱向磁場向真空室壁彎曲，電子在真空室壁上損失掉，進(jìn)而降低了離子的數(shù)量。而閉合磁場靶對在鍍膜區(qū)域的縱向磁場是閉合的，避免了電子的損失，從而增加了離子濃度。如果安排四個非平衡靶構(gòu)成閉合磁場，則可以進(jìn)一步提高等離子區(qū)的離子濃度和離子分布的均勻性。

2、濺射鍍膜技術(shù)的應(yīng)用

1）制備薄膜磁頭的耐磨損氧化膜

硬盤磁頭進(jìn)行讀寫操作時與硬盤表面產(chǎn)生滑動摩擦，為了減小摩擦力及提高磁頭壽命，目前磁頭正向薄膜化方向發(fā)展。

絕緣膜和保護(hù)膜(即AL2O3、SiO2氧化物薄膜)是薄膜磁頭主要構(gòu)成成份。對薄膜磁頭的耐磨損膜的要求是耐沖擊性好，耐磨性好，有適當(dāng)?shù)目杉庸ば砸约凹庸ぷ冃涡。ǔ２捎梅磻?yīng)濺射法制備該種薄膜。為了防止基片升溫過高，濺射鍍膜過程中要對基片進(jìn)行冷卻。

2）制備硬質(zhì)薄膜

目前廣泛使用的硬化膜是水溶液電鍍鉻。電鍍會使鋼發(fā)生氫脆，而且電鍍速度慢，造成環(huán)境污染。如果采用金屬Cr靶，在N2氣氛中進(jìn)行非平衡磁控濺射鍍膜，可以在工件上鍍覆Cr、CrNX等鍍層，代替水溶液電鍍用于旋轉(zhuǎn)軸和其它運(yùn)動部件。

3）制備切削刀具和模具的超硬膜

采用普通化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備TiN、TiC等超硬鍍層，溫度要在1000℃左右，這已經(jīng)超過了高速鋼的回火溫度，對于硬質(zhì)合金來說還可能使鍍層晶粒長大。而采用對向靶濺射沉積單相TiN薄膜，濺射時間只需10～15min，基片溫度不超過150℃，得到的TiN薄膜硬度最高可達(dá)HV3800。利用非平衡磁控濺射法制備的TiN鍍膜，通過膜層硬度和臨界載荷實(shí)驗(yàn)以及摩擦實(shí)驗(yàn)，表明膜層硬度已經(jīng)達(dá)到和超過其它離子鍍膜的效果。

4）制備固體潤滑膜

固體潤滑膜如MoS2薄膜已成功應(yīng)用于真空工業(yè)設(shè)備、原子能設(shè)備以及航空航天領(lǐng)域，對于工作在高溫環(huán)境的機(jī)械設(shè)備也是畢不可少的。雖然MoS2可用化學(xué)反應(yīng)鍍膜法制備，但濺射鍍膜發(fā)得到的MoS2薄膜致密性好，膜基附著力大，添加Au(5wt%)的MoS2膜，其致密性和附著性更好，摩擦系數(shù)更小。

5）制備光學(xué)薄膜

濺射法是目前工業(yè)生成中制備光學(xué)薄膜的一種主要的工藝。長期以來，反應(yīng)磁控濺射技術(shù)主要用于工具表面鍍制TiN等超硬膜以及建筑玻璃、汽車玻璃、透明導(dǎo)電膜等單層或簡單膜層。近年來，光通信，顯示技術(shù)等方面對光學(xué)薄膜的巨大需求，刺激了將該技術(shù)用于光學(xué)薄膜工業(yè)化生產(chǎn)的 研究 。

第三節(jié) 濺射靶材國外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

磁控濺射技術(shù)作為一種十分有效的薄膜沉積方法，已廣泛和成功應(yīng)用于微電子、光學(xué)薄膜、磁性薄膜以及具有特殊電學(xué)性能的薄膜和其它材料表面處理領(lǐng)域之中。1852年格洛夫(Glove)在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)了陰極濺射現(xiàn)象。他在 研究 電子管陰極腐蝕問題時。發(fā)現(xiàn)陰極材料遷移到真空管壁上來，由此濺射技術(shù)作為一種沉積鍍膜方法開始得以應(yīng)用和發(fā)展。60年代后，隨著半導(dǎo)體工業(yè)的迅速崛起和集成電路的大面積應(yīng)用，這種技術(shù)在集成電路制版工藝中得到進(jìn)一步發(fā)展。70年代后隨著存儲介質(zhì)的升級換代，商品化的磁控濺射設(shè)備開始問世，由此磁控濺射技術(shù)才從實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用真正地進(jìn)人工業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域，逐步成為一種常用工業(yè)技術(shù)。最近15年來，隨著平板顯示等技術(shù)深入發(fā)展，對膜層性能提出更高物理和化學(xué)方面的要求，磁控濺射技術(shù)不斷進(jìn)步發(fā)展。

第四節(jié) 濺射靶材技術(shù)開發(fā)熱點(diǎn)、難點(diǎn) 分析

國外于上世紀(jì)70年代開始研制ITO靶材，主要集中于日本、美國和德國，目前已形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)，主要采用冷壓—燒結(jié)工藝成形和致密化，同時兼顧熱壓和熱等靜壓工藝，以獲得不同質(zhì)量檔次的靶材。日本在靶材制備技術(shù)和裝備技術(shù)上走在世界前列，已形成了從粉末、靶材制備、鍍膜到液晶顯示器件制造較完整的產(chǎn)業(yè)鏈。國內(nèi)于上世紀(jì)90年代初開始研制ITO靶材，主要集中在大學(xué)和科研單位，主要工藝是熱壓法。

近年來，隨著平板顯示器尺寸大型化的發(fā)展，對ITO靶材尺寸及密度的要求也越來越高，熱壓設(shè)備與技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其要求。因此，以燒結(jié)工藝生產(chǎn)大尺寸、高密度ITO靶材已成為國內(nèi)各大靶材生產(chǎn)廠家研發(fā)的重點(diǎn)。

LCD經(jīng)過長時間的發(fā)展后，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升，成本也不斷下降，對ITO靶材的要求也隨之提高，因此，配合LCD的發(fā)展，未來ITO靶材發(fā)展大致有以下的趨勢：

1、降低電阻率。隨著LCD愈來愈精細(xì)化發(fā)展的趨向，以及它的驅(qū)動程序不同，需要更小電阻率的透明導(dǎo)電膜。

2、高密度化。靶材密度的改善直接帶來的益處主要表現(xiàn)在減少黑化和降低電阻率方面。靶材若為低密度時，有效濺射表面積會減少，濺射速度也會降低，靶材表面黑化趨勢加劇。高密度靶的表面變化少，可以得到低電阻膜。靶材密度與壽命也有關(guān)，高密度的靶材壽命較長，意味著可降低靶材成本。

3、尺寸大型化。隨著液晶模塊產(chǎn)品輕薄化和低價化趨勢的不斷發(fā)展，相應(yīng)的ITO玻璃基板也出現(xiàn)了明顯的大型化的趨勢，因此ITO靶材單片尺寸大型化不可避免。

4、靶材本體一體化。如前所述，靶材將朝大面積發(fā)展，以往技術(shù)能力不足時，必須使用多片靶材拼焊成大面積，但由于接合處會造成鍍膜質(zhì)量下降，因此目前大多以一體成形為主，以提升鍍膜質(zhì)量與使用率。未來新世代LCD玻璃基板尺寸的加大，對靶材生產(chǎn)廠家是一項(xiàng)嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。

5、使用高效率化。靶材使用率的提升，一直是設(shè)備商、使用者及靶材制造商共同努力的方向。目前靶材利用率可達(dá)40%，隨著液晶顯示器 行業(yè) 對材料成本要求的提高，提高ITO靶材的利用率也將是未來靶材研發(fā)的方向之一。

第五節(jié) 濺射靶材未來技術(shù)發(fā)展趨勢

近年來，半導(dǎo)體集成電路不斷向大規(guī)模(LSI)乃至超大規(guī)模(VLSI)發(fā)展。隨著集成度的提高，高度集成化的(V)LSI布線膜的線寬越來越窄，并且結(jié)構(gòu)不斷多層化。為此，對布線材料的抗EM和SM性能要求越來越高，同時要求電阻率越來越低。鋁合金靶材從二元向三元甚至多元化發(fā)展，對鋁合金靶材的尺寸也要求大型化。

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