摘要：本文詳細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。 aucG|}B  
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索引術(shù)語：晶粒度控制，嶄新等離子體濺射，Cr薄膜 -'uz%2 {  
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1、簡介 IzlmcP3  
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在濺射過程中，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，特別對于磁性存儲記憶膜等的應(yīng)用尤為如此。本文將詳細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)的主要特點為有能力對濺射成膜的平均晶粒度進行控制，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，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、標準偏差以及Cr膜晶相成因的最有組合。Cr及Cr合金膜對儲存記憶膜工業(yè)有著非常重要的意義。因為它們被用作縱向存儲介質(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介質(zhì)層的生長[3]。具有更細晶粒及更均勻分布的薄膜意味著將具有更高的存儲密度。但是，高存儲密度介質(zhì)膜的信號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。控制成膜平均晶粒度大小及分布對得到高存儲密度和高熱穩(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)上作的晶粒生長與濺射工藝參數(shù)關(guān)系的研究試驗。 j[|mC;y.  
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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 #;hYJ Y  
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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。圖二為實際的鍍膜機照片[a]。該等離子體束在電磁場的作用下被引導(dǎo)到靶上，在靶表面形成高密度等離子體。同時靶連接有DC/RF偏壓電源，從而實現(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)計是實現(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]。 )|B3TjHC  
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與通常的磁控濺射由于磁控靶磁場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，從而能對靶材實現(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]。 mI,!8#  
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3、HiTUS鍍膜系統(tǒng)組成介紹 z K6'wL!!I  
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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)線圈。感應(yīng)線圈有冷卻水冷卻。射頻電源采用頻率為13.56MHz的激勵頻率。在壓力為3x10-3mbar時，這種等離子體的離子密度為1013/cm3到1014/cm3[5]。當放電管中的等離子體被引出時，上述等離子體中的離子密度將降低為靜止狀態(tài)時的1/3。在放電管靠近真空室的一端，有一個等離子體引出線圈，此線圈產(chǎn)生的電磁場對等離子體進行集束控制。在真空室外側(cè)與等離子體束軸線成直角的方向上裝配有濺射等離子體束的匯聚線圈。濺射靶材處在此匯聚線圈以內(nèi)的真空室內(nèi)側(cè)，靶材通過電極與外界相連，也可以設(shè)計成多種靶材的旋轉(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試曲線。 (tQ0-=z  
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可以看出，改變等離子體源的激勵功率可以改變靶電流，即改變靶功率，從而改變沉積速率。在等離子體源激勵功率保持不變時，通過改變靶偏壓（盡管在偏壓超過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。 I*0TI@Lo  
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，通過提高等離子體源的激勵功率，同樣可以保持不變的靶功率，即保持不變的沉積速率。 :,Mg1Zf  
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利用二次電子的反濺射效用。此時可以減小等離子體激勵功率，減小靶電流，同時提高靶偏壓，保持恒定沉積速率，但增強二次電子對基片的轟擊效用，達到反濺射的目的。 `J-&Y2_/k  
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4、結(jié)論及討論 )<vuv9=k\%  
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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個樣品。在鍍制每個樣品錢都要進行等離子放電清洗（靶清洗時間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 膜生長一直沿主晶（110）晶向。但為了以后Co合金膜的生長，要求Cr膜最好沿（200）晶向。這可以通過提高基片溫度（>250oC）實現(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。 VH6J @m  
A) 組：氬氣壓力2.2x10-3mbar,靶偏壓-800V,RF功率0.62~2.25KW L)3JTNiB  
B) 組：氬氣壓力2.2x10-3mbar,靶偏壓-500~-1000V,RF功率1.75KW HB9|AQ4K  
C) 組：氬氣壓力1.19~4.7x10-3mbar,靶偏壓-800V,RF功率1.75KW L~HL*~#d  
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樣品玻璃基片背面復(fù)合一個鍍有碳的TEM柵，從而可以得到每一個樣品的TEM分析影像。文獻[6]給出了對每個樣片分別取樣500個晶粒的測量結(jié)果。在白場模式下120KV/150K放大倍數(shù)的TEM平面影像見圖六，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應(yīng)的TEM 照片。所有樣品上晶粒大小是由粒子分析器測得的。圖六b，圖七b為晶粒分布直方圖，呈現(xiàn)出對數(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。 Yl"l|2 :  
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5、結(jié)論 F~x>\?iN  
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