磁控溅射镀膜工艺

大面积磁控溅射工艺

1、介绍

在玻璃或卷材上制备的用于建筑、汽车、显示器和太阳能应用的光学多层膜是利用反应磁控溅射以具有可重复的稳定的高沉积率进行生产的。在整个基底宽度上的良好膜厚均匀性和适当的工艺长期稳定性是为了满足生产要求所必须的。动态沉积率（镀膜机的生产率），膜的化学成分和工艺稳定性（包括膜厚分布的临界参数和起弧行为）都需要使用对于大面积光学镀膜的先进的工艺稳定技术。这意味着对于研制的高要求存在于大面积反应磁控溅射工艺。对于把在实验室条件下开发的工艺转移到大规模工业镀膜机这个过程存在着很大的风险性。为了克服这个升级问题，研制生产安装了一台工业规模试验型设备。该设备可以处理的基底宽达到3.2m。

除了对于反应溅射的工艺稳定性方面的简单的介绍外，本文还包括了一个对于我们这台用于磁控溅射研究和开发的工业规模实验型镀膜机的介绍。这将使用关于在该设备中获得的氧化锌和二氧化钛工艺的改善的结果来进行说明。

2、反应溅射的工艺稳定性

反应溅射工艺是以滞后现象作为表征的。自稳定工作点只存在于金属模式和反应模式。存在的自稳定范围必须扩大到过渡范围以保证工业镀膜设备的生产运作。下面将介绍等离子体发射控制器的在这方面的使用。

一个控制电路用于现场测定溅射靶材料的光谱线的强度。在保证考虑了边界条件的情况下，这能够用于测量靶上实际靶材溅射率。反应气体输入量可以根据一个设定点测量得到的信号强度的偏差来进行控制。这样就有可能根据材料、靶长和抽速把几乎每个工作点都稳定在过渡范围。反应溅射的工作点位置取决于对沉积率、化学成分和反射率等参数的要求。

为了在过渡模式下得到宽度起过一米的有效膜厚分布的镀膜，需要进行特殊的研究。众所周知，在反应磁控溅射的情况，只有当进行气体流量的动态修正以稳定一个平衡状态时展宽式直磁

控溅射源就能够长期稳定地工作。

已经为反应沉积的生产安装了适当的系统。一些PEM控制电路彼此独立地进行工作。进入沿着磁控管的分段气体管线的气体量是通过使用每个控制电路一个快速阀门来进行控制的。控制着到达磁控管端面气流量的侧面通道有两个输入信号：侧面的光线强度和在磁控管长度方向的中心位置测量到的光线强度。侧面充气管线段的氧气流量是以两个强度信号的着必须为零这种方式来进行控制的。厚度分布的调整可能使用K因子。K作为一个侧面强度的重要因子。通常认为K约等于1。

3、工业规模的实验镀膜机

对镀膜任务的日益增长的需求是需要更有效率的镀膜工具。因此，镀膜设备的供应商就不得不一再地改进设备。一台工业规模实验镀膜可以帮助这种任务向有益的方向发展。其满足如下的需求：

a、可以使用长达4米的各种磁控溅射源 b、工艺控制自动化

c、可以实现溅射源的最普遍的“环境”，比如屏蔽、充气、抽气等等 d、动态和静态沉积的基底宽达到3.2米

e、不中断工艺并不破坏工艺室的真空的情况下更变基底

该镀膜机包括3个真空室：装料闭锁和阀门室、工艺室和起料室。工艺室的端部直接在输送系统上。各种附件可以放置在工艺室中以实现各种磁控环境和固定磁控溅射源。一个作为典型建筑玻璃镀膜机的装置，其包括抽气部分、溅射部分和抽气部分。装料闭锁室和起料室各自装备了2个抽速为1000L/s的涡轮分子泵，工艺室装备了4个抽速为2200L/s的涡轮分子泵。靶基距、抽速、抽气分布工艺控制和电源供应都和生产型机是相同的。

4、改善氧化锌工艺的长期稳定性

氧化锌是在建筑玻璃应用中用于低辐射膜的最普遍使用的介电材料之一。掺铝氧化锌替代了氧化锌变成光电应用中作为透明导电氧化膜的日益生要的材料。用于低辐射应用的反应溅射氧化锌膜由于随着时间增加面增加的起弧现象而局限了其普遍沉积的长期稳定性。

已经证明了装备一个独立于直流电源发生器运行的可编程主动灭弧电路的直流电源能够成功急剧减少这种问题。这种类型的电源考虑到了对于工艺不稳定的极快速和可设计的作用。对于各种灭弧等级的短期和长期灭弧周期、滞后时间和断开时间的起弧、触发环境分配到的能量可以自由地进行调节。此外，电弧的可用与否可以通过一个振荡器进行触发并且可以运行在一个连续的脉冲模式下，这样就可以在必要的情况下阻止在绝缘层上的过度的放电影响。

一个不再能够用于生产目的的锌靶被用于试验这样的发生器。靶表面覆盖着导致剧烈起弧的氧化颗粒。在每一个试验周期前，该靶都在纯氩中溅射15分钟以便能获得类似的初始环境。在一次试验运行周期中，快速开关的滞后时间从10ms改变到400ms。每次把滞后时间设置为10ms，起弧频率就急剧增加。当设置为400ms时就可以把起弧频率稳定在一个可达到的水平。中等的滞后时间导致一个缓慢增加的起弧频率。

工艺 直流 5kHz 15kH0.802 z 膜层应力（MPa） 0.879 0.759

在进一步试验中，使用自由脉冲模式溅射氧化锌。脉冲参数是可变的。前面类似的低频率会导致起弧频率的减少。对于这个试验，电弧开关滞后时间保持在10ms的最小水平。在脉冲参数

为15kHz，83：17时获得最佳的结果。在脉冲模式下沉积的膜层的性质和在直流模式下沉积的膜层的性质区别不大。一个在脉冲模式下的实验（10kHz，92：8）显示8%的速率损失可以通过提高2.5kW的功率进行补偿。

在反应沉积氧化锌作为透明导电氧化膜时使用掺铝氧化锌靶可以得到比较长期的稳定性。因此，氧化锌镀膜试验使用了锌铝靶来完成。在整个试验期间该 靶运行良好，总能量约为2700kWH。起弧速率没有增加，同时在跑道表面没有发现小团块。

进一步的改善可能是使用PEM来控制氧化锌的沉积。对于一个锌铝靶和利用氧气控制的锌靶的反应溅射工艺的特性相比较有显著的变化。在锌铝靶的情况下，滞后区域非常狭窄。对于锌铝靶的转变区域在较低的氧气流量水平上开始，这可能导致一个较低的沉积速率。假如锌铝靶在较低的氧气流量（约50%）工作，从溅射纯金属开始锌发射密度就增加，这在使用纯锌靶时是观察不到的。对于锌铝靶反应溅射利用PEM工艺控制通过增强速率沉积把可能的工艺范围从传统的沉积膜层延伸到具有良好TCO特性的膜层的可能性。在这种情况下使用了一个3通道的PEM平衡控制器。膜厚分布的调整可以使用重量因子K。一个可变的K允许根据工艺条件精确地调整每一面的局部工作点。当因子K为0.93/0.94（左/右）时获得最佳的均匀性。

利用锌铝靶溅射在如图的工作点上沉积的膜层的膜层特性显示在表2中。对于TCO膜的期望是光学特性的变化在动态沉积率增加的情况下可以忽略。然而，不得不提到在由于掺铝而得到的增加的长期稳定工艺中沉积的膜层上由光谱椭圆偏光仪测定的消光系数比从没有掺铝的靶沉积得到的膜层相比高了一个数量级。

5、对于氧化钛的动态沉积率的增加

在大面积光学镀膜中对二氧化钛的需求起来起增加，这是由于在可见光区域具有高透射率，高折射率和良好的机械和化学稳定性。然而，当使用传统溅射方法二氧化钛溅射沉积存在着低沉积率的问题。

一些增加动态沉积率的可能性已经在过去发表过了。第一个方法是提高靶的功率。这适用于

圆柱磁控管。曾经报道过使用孪生磁控管利用中频溅射高速沉积二氧化钛。OHSAKI等人和接下来的NADEL 和GREENE曾经分别发表了关于平面磁控管和圆柱磁控管溅射陶瓷氧化钛靶的很有希望的结果。利用分压测量或者等离子体监控（PEM）把工艺控制稳定在过渡区域就可以获得最高的沉积速率。

PEM速率增强二氧化钛溅射的有希望的可能性显示在图7中。过渡区域能够在整个范围内稳定。当功率密度仅为11.8kW/cm^2时动态沉积率可以增加到45nm*m/min。然而必须记住的是膜层以起过25nm*m/min速率进行沉积时显示出增加的吸附作用。使用3个通道的PEM平衡控制来稳定二氧化钛工艺。利用这种方法，可以在动态沉积率为23nm*m/min时在宽度为3.2米的范围内获得优于正负1.8%的膜厚均匀性。

如果有可能结合先进的PEM控制和使用圆柱磁控管（C-Mag）的大功率溅射的话，吸附性的自由二氧化钛膜的最高动态沉积速率是可以期望得到的。这样的实验已经在上面提到的试验型镀膜机上开始了。图8显示了PEM可视化界面的一个窗口截图。在图的左边部分，可以看见尽管应用的功率是恒定的，但还是发生强度的振荡。这种振荡是由于靶的旋转周期和整个靶长内保持恒定。代表控制的氧气输入量的曲线显示了控制电路可以适当地抑制由靶旋转产生的工艺变化。

6、结论

通过使用近来安装的大面积磁控试验型设备显示了这是一个在反应磁控溅射中用于工业规模研发的合适的工具。已经提出了对氧化锌和二氧化钛镀膜的工艺发展的示例结果。

为了克服先前在氧化锌工艺中存在的不稳定问题，使用了具有可调电弧管理和脉冲调制的先进直流电源来发送长期稳定性。最佳的稳定性能够通过使用掺杂靶来达到。PEM平衡被用于控制获得良好的膜厚均匀性。

为了获得不带吸附性的二氧化钛膜的动态沉积率的增加，可以使用多通道PEM控制电路或者高功率的圆柱磁控管。圆柱磁控管技术和先进工艺控制系统的结合可以实现在大面积光学镀膜

中日益增长的需求

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