本文通過建立多尺度模型,結(jié)合模擬了磁控濺射中濺射原子的產(chǎn)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(chǎng)分布和靶材-基板間距對(duì)薄膜生長(zhǎng)過程與薄膜性能的影響。模擬結(jié)果顯示,提高基板溫度或降低濺射速率都會(huì)增加初期生長(zhǎng)階段薄膜的相對(duì)密度;磁場(chǎng)對(duì)靶的利用率有顯著的影響,而對(duì)薄膜最終形貌的影響不大;增大靶材-基板間距會(huì)降低薄膜的粗糙度。

　　磁控濺射自20 世紀(jì)70 年代誕生以來,因較高的沉積率和成膜質(zhì)量而成為薄膜制備的重要手段之一,被廣泛應(yīng)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(lǐng)域。由于當(dāng)前濺射成膜工藝的控制在很大程度上仍然依賴于實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),因此,模擬研究磁控濺射生長(zhǎng)過程,對(duì)輔助濺射成膜工藝的實(shí)際操作有著重要的意義。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,計(jì)算物理方法與傳統(tǒng)的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)合日趨緊密。許多國(guó)內(nèi)外研究成功運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬方法探討薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理,并提出多種模擬手段來重現(xiàn)與薄膜生長(zhǎng)相關(guān)的物理過程,例如Smereka 等對(duì)晶面生長(zhǎng)速度的研究;Volter 運(yùn)用10原子環(huán)形模型對(duì)薄膜生長(zhǎng)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(jì)算勢(shì)函數(shù),并將其應(yīng)用于對(duì)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(shí)間尺度上跨度較大,這樣多尺度問題的計(jì)算機(jī)模擬并不容易,因此對(duì)磁控濺射沉積薄膜全過程模擬的研究報(bào)道并不多見。在現(xiàn)有的個(gè)別全過程模擬方法中,通常對(duì)成膜過程進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化,例如不涉及遷移和脫附等物理過程,這對(duì)模擬的精確性會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

　　本文建立了一個(gè)多尺度模型,對(duì)磁控濺射薄膜生長(zhǎng)的全過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬,研究了基板溫度、磁場(chǎng)分布及靶材- 基板間距對(duì)成膜的影響。首先應(yīng)用PIC ( Particle-In-Cell)對(duì)濺射原子的產(chǎn)生進(jìn)行模擬 ,并得到靶的刻蝕曲線;其次應(yīng)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(dá)基板后,利用蒙特卡羅方法對(duì)薄膜微觀生長(zhǎng)過程進(jìn)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(jié)果顯示,初期生長(zhǎng)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(guān)———薄膜最大厚度出現(xiàn)的位置與靶的刻蝕最深處相對(duì)應(yīng);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(huì)減小。

1、模型與方法

　　磁控濺射成膜過程由以下三個(gè)過程組成:

　　(1)濺射原子的產(chǎn)生———通過控制靶材上加載的電壓激發(fā)輝光放電,利用產(chǎn)生的離子對(duì)靶進(jìn)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(yùn)動(dòng)的過程中,會(huì)不斷地與背景氣體發(fā)生碰撞,最終到達(dá)邊界或基板;

　　(3)原子在基板上的沉積———原子到達(dá)基板后,在基板表面發(fā)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(jié)構(gòu)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(huán)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(nèi)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 。基板接地作為陽極,靶為陰極加直流負(fù)偏壓( - 450V) ,二次電子發(fā)射系數(shù)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(chǎng),其初始值為零,電場(chǎng)強(qiáng)度隨粒子流產(chǎn)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(shí)間步長(zhǎng)Δt = 1 ×10^-10s。

圖1 　磁控濺射結(jié)構(gòu)示意圖

　　限于篇幅，文章第二章節(jié)的部分內(nèi)容省略，詳細(xì)文章請(qǐng)郵件至作者索要。

3、結(jié)論

　　本文結(jié)合了PIC ,MC , EAM,CIC 等方法對(duì)整個(gè)等離子體磁控濺射成膜過程進(jìn)行了多尺度的計(jì)算機(jī)模擬,并系統(tǒng)研究了磁控濺射成膜過程中基板溫度、磁場(chǎng)分布、靶材-基板間距等參數(shù)對(duì)成膜的影響。研究結(jié)果表明,

　　(1) 隨著基板溫度的提高,薄膜初期生長(zhǎng)階段所形成的島的尺寸增大而島的數(shù)量減少,相對(duì)密度提高。但提高溫度的同時(shí),也會(huì)使沉積原子的脫附率升高。因此實(shí)際中需要根據(jù)材料性質(zhì)、質(zhì)量和成本來選取最合適的基板溫度。

　　(2) 磁場(chǎng)分布對(duì)靶的刻蝕曲線有較大的影響,而對(duì)薄膜最終形貌影響甚微。研究表明,flat 型磁場(chǎng)可以在不影響薄膜成膜的前提下最大程度地提高靶材的利用率。

　　(3) 隨著靶材-基板間距的增大,薄膜的成膜速率以及薄膜的粗糙度均會(huì)減小。

　　本文工作是關(guān)于磁控濺射成膜過程的初步研究,尚有一些問題,諸如襯底材料及表面狀態(tài)(晶向、平整度) 等對(duì)薄膜初期生長(zhǎng)過程的影響,都有待更完善的物理模型進(jìn)一步深入研究。