摘要：本文詳細(xì)描述一種等離子體高效濺射系統(tǒng)及應(yīng)用工藝。此種嶄新的濺射技術(shù)組成的系統(tǒng)能做到實(shí)現(xiàn)成膜晶粒大小的控制。此外，應(yīng)用此技術(shù)的濺射膜材利用率要比現(xiàn)有所有濺射技術(shù)高很多，達(dá)到80%至90%。本文描述了應(yīng)用此技術(shù)鍍制不同的磁性記憶Cr膜，并給出了用X-ray及TEM手段對(duì)成膜晶粒度的分析結(jié)果，包括直方圖、平均晶粒度以及它們與濺射工藝的關(guān)系等。 -_`dA^  
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索引術(shù)語(yǔ)：晶粒度控制，嶄新等離子體濺射，Cr薄膜 "}|&eBH^<  
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1、簡(jiǎn)介 F7!q18ew  
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在濺射過(guò)程中，有能力控制成膜晶粒大小及分布是很多工業(yè)應(yīng)用的基本要求，特別對(duì)于磁性存儲(chǔ)記憶膜等的應(yīng)用尤為如此。本文將詳細(xì)介紹一種嶄新的濺射鍍膜技術(shù)以及應(yīng)用此技術(shù)構(gòu)建的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)為有能力對(duì)濺射成膜的平均晶粒度進(jìn)行控制，而不用在襯底上事先制造子晶層。在不同的工藝條件下，做了一系列的Cr膜試驗(yàn)，以確定最優(yōu)的工藝條件，從而保證得到包括平均晶粒直徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差以及Cr膜晶相成因的最有組合。Cr及Cr合金膜對(duì)儲(chǔ)存記憶膜工業(yè)有著非常重要的意義。因?yàn)樗鼈儽挥米骺v向存儲(chǔ)介質(zhì)CoCrPt[1]或CoCrTa[2]膜的底層膜。底層Cr膜的晶粒成因以及大小以后存儲(chǔ)介質(zhì)層的生長(zhǎng)[3]。具有更細(xì)晶粒及更均勻分布的薄膜意味著將具有更高的存儲(chǔ)密度。但是，高存儲(chǔ)密度介質(zhì)膜的信號(hào)熱衰減特性要求晶粒具有高的磁性各向異性及窄的晶粒分布，即是晶粒要具有高的熱穩(wěn)定性，從而保證介質(zhì)膜有好的信-噪比�？刂瞥赡て骄�晶粒度大小及分布對(duì)得到高存儲(chǔ)密度和高熱穩(wěn)定性介質(zhì)膜至關(guān)重要。本文下節(jié)重點(diǎn)介紹這種嶄新的濺射技術(shù)，以及在用這種技術(shù)組成的系統(tǒng)上作的晶粒生長(zhǎng)與濺射工藝參數(shù)關(guān)系的研究試驗(yàn)。 6gy
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2、高利用率等離子體濺射（High Target Utilization Plasma Sputtering(HiTUS)）系統(tǒng)描述 gdj,e ^  
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HiTUS高利用率等離子體濺射（High Target Utilization Plasma Sputtering(HiTUS)）系統(tǒng)是一種嶄新的等離子體濺射鍍膜方法。它是利用射頻功率產(chǎn)生等離子體（ICP）源，該等離子體源裝置在真空室側(cè)面。如下圖一所示。圖二為實(shí)際的鍍膜機(jī)照片[a]。該等離子體束在電磁場(chǎng)的作用下被引導(dǎo)到靶上，在靶表面形成高密度等離子體。同時(shí)靶連接有DC/RF偏壓電源，從而實(shí)現(xiàn)高效可控的等離子體濺射。等離子體發(fā)生裝置與真空室的分離設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)濺射工藝參數(shù)寬范圍可控的關(guān)鍵，而這種廣闊的可控性使得特定的應(yīng)用能確定工藝參數(shù)最優(yōu)化[4]。 0&
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與通常的磁控濺射由于磁控靶磁場(chǎng)的存在而在靶材表面形成刻蝕環(huán)不同，HiTUS系統(tǒng)由于取消了靶材背面的磁鐵，從而能對(duì)靶材實(shí)現(xiàn)全面積均勻刻蝕。這種刻蝕方法的結(jié)果是靶材的利用率從一般磁控靶濺射刻蝕的25%提高到80%至90%。這就是這種系統(tǒng)取名“HiTUS”高利用率等離子體濺射（High Target Utilization Plasma Sputtering(HiTUS)）的原因[4]。 e&k=fV  
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3、HiTUS鍍膜系統(tǒng)組成介紹 s[dq-pc"  
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這種高效等離子體濺射鍍膜關(guān)鍵部分是其高效的等離子體源。它的組成為由獨(dú)立供氣系統(tǒng)的石英晶體腔體，外部有耦合射頻功率的感應(yīng)線(xiàn)圈。感應(yīng)線(xiàn)圈有冷卻水冷卻。射頻電源采用頻率為13.56MHz的激勵(lì)頻率。在壓力為3x10-3mbar時(shí)，這種等離子體的離子密度為1013/cm3到1014/cm3[5]。當(dāng)放電管中的等離子體被引出時(shí)，上述等離子體中的離子密度將降低為靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的1/3。在放電管靠近真空室的一端，有一個(gè)等離子體引出線(xiàn)圈，此線(xiàn)圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)等離子體進(jìn)行集束控制。在真空室外側(cè)與等離子體束軸線(xiàn)成直角的方向上裝配有濺射等離子體束的匯聚線(xiàn)圈。濺射靶材處在此匯聚線(xiàn)圈以?xún)?nèi)的真空室內(nèi)側(cè)，靶材通過(guò)電極與外界相連，也可以設(shè)計(jì)成多種靶材的旋轉(zhuǎn)靶結(jié)構(gòu)。靶材做成電懸浮結(jié)構(gòu)，連接的加速偏壓為直流0 ~ -1000V。下面圖三[5]所示為不同材料在靶-源距離情況下，沉積速率與靶表面功率密度的測(cè)試曲線(xiàn)。 1yK=Yf%B  
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可以看出，改變等離子體源的激勵(lì)功率可以改變靶電流，即改變靶功率，從而改變沉積速率。在等離子體源激勵(lì)功率保持不變時(shí)，通過(guò)改變靶偏壓（盡管在偏壓超過(guò)100V左右后出現(xiàn)了靶電流出現(xiàn)了飽和），也可以改變靶功率，從而改變沉積速率。 $ca>bX]  
正是這種靶電流的飽和現(xiàn)象為不同的鍍膜工藝提供了更廣泛的選擇空間。例如，在半導(dǎo)體鍍膜中，二次電子的轟擊容易引起器件損壞。在HiTUS 系統(tǒng)上，可以降低靶偏壓，減小二次電子的轟擊。但同時(shí)，通過(guò)提高等離子體源的激勵(lì)功率，同樣可以保持不變的靶功率，即保持不變的沉積速率。 'uBagd>*  
在另外的應(yīng)用中，可能還有正相反的要求，要求基片在成膜的同時(shí)利用二次電子的反濺射效用。此時(shí)可以減小等離子體激勵(lì)功率，減小靶電流，同時(shí)提高靶偏壓，保持恒定沉積速率，但增強(qiáng)二次電子對(duì)基片的轟擊效用，達(dá)到反濺射的目的。 E9N.b.Q)  
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4、結(jié)論及討論 |V dr/'  
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在上述裝置上作了不同組的Cr膜。多工位基片架使得每次可以鍍制6個(gè)樣品。在鍍制每個(gè)樣品錢(qián)都要進(jìn)行等離子放電清洗（靶清洗時(shí)間60秒，基片100秒），以消除污染或氧化層。Cr膜鍍制在玻璃基片上，本底真空為7x10-7mbar。根據(jù)濺射條件，沉積速率為10~50nm/min.。在沉積過(guò)程中，基片由于等離子體的加熱，其溫度在120oC左右。X光衍射分析結(jié)果為基片在不存在特別的加熱條件下，Cr 膜生長(zhǎng)一直沿主晶（110）晶向。但為了以后Co合金膜的生長(zhǎng)，要求Cr膜最好沿（200）晶向。這可以通過(guò)提高基片溫度（>250oC）實(shí)現(xiàn)。基片在等離子體束流預(yù)轟擊3分鐘，就可以觀察到Cr 膜晶向從（110）到（200）的改變。如圖五[5]所示。進(jìn)行了三組Cr膜的比較，以研究如何利用工藝參數(shù)控制晶粒度。 eVvDis  
A) 組：氬氣壓力2.2x10-3mbar,靶偏壓-800V,RF功率0.62~2.25KW .9uw@Eq  
B) 組：氬氣壓力2.2x10-3mbar,靶偏壓-500~-1000V,RF功率1.75KW Yn>y1~  
C) 組：氬氣壓力1.19~4.7x10-3mbar,靶偏壓-800V,RF功率1.75KW Y I?4e7Z+  
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樣品玻璃基片背面復(fù)合一個(gè)鍍有碳的TEM柵，從而可以得到每一個(gè)樣品的TEM分析影像。文獻(xiàn)[6]給出了對(duì)每個(gè)樣片分別取樣500個(gè)晶粒的測(cè)量結(jié)果。在白場(chǎng)模式下120KV/150K放大倍數(shù)的TEM平面影像見(jiàn)圖六，圖七。圖六，圖七為A組樣件最小平均晶粒度到最大平均晶粒度樣品對(duì)應(yīng)的TEM 照片。所有樣品上晶粒大小是由粒子分析器測(cè)得的。圖六b，圖七b為晶粒分布直方圖，呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)正態(tài)分布規(guī)律[7]。晶粒分布寬度及主要晶粒大小隨濺射參數(shù)變化。如圖八，圖九，圖十所示，平均晶粒度與射頻功率，靶偏壓及濺射壓力有直接關(guān)系。 -