镀膜电源与膜层质量

一、引言：

1、Film结构的菱形ITO的阻抗计算公式

【一：两层Film】

图一、阻抗计算图及微积分推导过程

R_sr=N*R’*｛B/a+[L/(W-a)]*ln(W/a)｝

R_sr……一条感应Sensor的电阻值。（R_sr即：R_Sensor）

R’……ITO的方阻。

B………ITO桥的长度（与电流方向一致）。

a………ITO桥的宽度（与电流方向垂直）。

L………菱形的长度（与电流方向一致）：前一个桥的末端到后一个桥的始端。

W………菱形的宽度（与电流方向垂直）。

N………电流方向上的菱形数量。（起始和末端各自半个菱形刚好拼成一个菱形）。

Ln()…………自然对数函数。

【二：单层Glass ITO】

单层ITO含MT Jumper的a的取值方式（即图中的a’）

其推算原理与上述推算一致。但一定要注意：

1.Glass ITO的Sensor线是Metal Jumper计算a时要注意：a是从PI绝缘的位置计算a的，即：PI绝缘向两端延伸后与菱形两边的相交点之间的距离才是真正的a。

2.同时，由于Metal Jumper采用的是钼铝钼材料，其方阻很小，大概是0.3Ω左右，可以忽略。因此，此时可忽略Jumper的阻抗，等同于B=0。

所以，有Metal Jumper的ITO感应涂层，其阻抗只需计算菱形的阻抗即可。R_sr=N*R’*[L/(W-a’)]*ln(W/a’)

其中a’是Jumper与ITO之间的起始接触点处等效宽度

艾克斯.沃夫

2、影响ITO方阻的因素

R□=ρ/ d （1）由公式（1）可以看出，为了获得不同面电阻（R□）的ITO薄膜，实际上就是要获得不同的膜厚和电阻率。一般来讲，制备ITO薄膜时要得到不同的膜层厚度比较容易，可以通过调节薄膜沉积时的沉积速率和沉积的时间来制取所需要膜层的厚度，并通过相应的工艺方法和手段能进行精确的膜层厚度和均匀性控制。

而ITO薄膜的电阻率（ρ）的大小则是ITO薄膜制备工艺的关键，电阻率（ρ）也是衡量ITO薄膜性能的一项重要指标。ρ=m*/neτ (2)公式给出了影响薄膜电阻率（ρ）的几种主要因素，式（2）中，n、τ分别表示载流子浓度和载流子迁移率。当n、τ越大，薄膜的电阻率（ρ）就越小，反之亦然。而载流子浓度（n）与ITO薄膜材料的组成有关，即组成ITO薄膜本身的锡含量和氧含量有关，为了得到较高的载流子浓度（n）可以通过调节ITO沉积材料的锡含量和氧含量来实现; 而载流子迁移率（τ）则与ITO薄膜的结晶状态、晶体结构和薄膜的缺陷密度有关，为了得到较高的载流子迁移率（τ）可以合理调节薄膜沉积时的沉积温度、溅射电压和成膜的条件等因素。

生产工艺过程中各工序原材料性质、工艺控制可能影响ITO 阻值的因素有以下几点:

a. 光刻胶涂布的膜厚均匀性、胶粘附性会影响胶的阻挡性能,产生胶被浸化,过显影、侧蚀、过刻蚀,使图形不规则,电阻变大。因此要将基板清洗干净,选择阻挡性、粘附性好的光刻胶,严格控制胶膜厚度(约1. 5μm) 及均匀性。

b. 选择适宜的曝光方式与曝光量是形成高质量图形的前提,显影液、刻蚀液的种类与其温度、浓度、时间的选择不当也会使图形发生畸变,不能得到设计所需的阻值。还要根据正胶的性质,选择适当的预固化、坚膜的温度和时间,这对图形与电阻有很大影响。

C 其他工艺过程的影响:生产工艺中如要使用高温烘烤和各种碱液的清洗,一般在300 ℃的环境中停留30min 以上,会使R □ 生长2～3 倍,这是影响R □ 的最大因素。而ITO 在碱性环境中易产生老化和腐蚀,如清洗时间过长、清洗不净,都会使R □ 增大,所以,在生产工艺中不宜采用高温生产和用碱液的反复清洗。

二、选择合适的镀膜电源与膜层质量的关系

镀膜电源的明智选择能帮助达成溅镀率、薄膜质量以及设置成本和复杂性上的特定目标。每一个电源解决方案都有各自特定的优缺点。因此，并没有绝对正确的答案。选择必须以本文所提供的建议以及个人的制程优先目标为基础。

电源选择概述

表1中列举了在 电源 选择要考虑的主要因素，对每种电源解决方案进行了评级。在最左边的一栏中找到对制程来说最重要的因素，然后选择对这些参数评级最高的电源方案。进一步参考该表格，获取有关所选择的电源方案重要要求上性能表现的信息。然后，继续阅读了解更多需要考虑的因素，再做出最终的决定。

表 1. 电源选择矩阵

制程设置细节

这部分解决的是在溅镀制程设置中的共同问题。它所解决的是上面参考表格之中没有解答的问题，同时也提供电源设置上的建议。

选择射频电源可实现最高的薄膜质量

如果薄膜质量是唯一考虑的要素，那么 射频电源 肯定是制程电源的最佳选择。射频能量能使等离子中的电子变得异常活跃。这能产生“捶效应”，在这种效应中电子能以更大的能量撞击基板。这使它们聚集紧密，能产生均匀平整的薄膜，孔洞也很少。

射频电源的主要缺点是它的速度非常低。它的溅镀率只有20%，而所有其它电源方案的溅镀率都有70%或更高，到达100%。然而，对于一些重要的应用，如用于外太空的天线阵和太阳能电池板，这种低速度也是可以接受的。这要取决于认为什么最重要。

射频设置

对于使用相对较小阴极（1到1.5 m，3.3到4.9'）的制程，网络匹配部署是正确设置射频的关键。为了能够使负载输送的功率达到最大化，请将匹配网络尽可能近地部署在阴极的旁边。这样能缩短从匹配网络输出电缆的长度，该电缆也是负载的一部分。因此，较短的电缆能提高功率输送和制程的可重复性。

接地是小阴极的射频设置中的另一重要因素。接地带必须要短而宽以使表面积最大化，而且所有的连接都必须非常洁净以避免产生电阻。

不幸的是，目前还没有简单的利用波长模式使用较大阴极制程的方法。与小阴极射频的制程相比，设置它们本身就更加复杂，而且其中也需要更多的试验，出错的几率很高。

旋转阴极与射频电源不兼容。一般来讲，它们最适合用于交流、直流或脉冲直流电源供电的制程中，在这些制程中它们能将靶材利用率提高80%至90%。

选择交流和脉冲直流电源

选择交流电源还是选择 脉冲直流电源, 取决于系统中阴极的数量。对于任何非在线一批次系统而言，脉冲直流电源应该是一个更好的选择。而对于一个拥有不只一个阴极的新在线系统而言，与脉冲直流相比选择交流更好。只需少量的钱，就能进行更清洁、更持久的制程，而且薄膜质量也更佳。

1.    普通直流电源生产出的薄膜质量（上图） 相对于 交流电源生产出的薄膜质量（下图）

选择直流和脉冲直流

选择脉冲直流电源通常都比只是直流的电源好，因为脉冲直流电源生产出的薄膜质量更佳而且正常生产期更长。很多系统使用直流电源是因为安装它们的时候还没有推出脉冲技术的电源。

加上低频脉冲能使电子更加活跃，产生“捶击效应”。这样能改善薄膜的平整性、聚集密度和透射性，而且还能减少孔洞的产生。使用脉冲直流电源的制程还比普通的直流需要耗时更短、频率更少的溅镀腔室清洁步骤。这能大幅提高制程的生产效率和成品产量。

1.    普通直流电源生产出的薄膜质量（上图） vs 脉冲直流电源生产出的薄膜质量（下图）
资料来源：英国索福尔德大学 (University of Salford)、先进材料与表面工程中心 (Centre for Advanced Materials and Surface Engineering)

成本不是选择普通直流还是选择脉冲直流电源的重要决定性因素。与普通直流相比，脉冲直流可以使用便宜很多的靶材。一般来说，与普通的直流相比，交流和脉冲直流生产出的薄膜质量更好。还能使交流或脉冲直流的制程通过使用较低级的靶材节约大量成本。任何一种直流溅镀制程都会产生“凸起”，它们会凸进和刺穿临近的材料层。因此使用直流电源的制程必须使用昂贵的高等级铝靶材，而交流和脉冲直流制程可以使用价格较能接受的靶材，而且对薄膜的质量没有任何负面的影响。

脉冲直流电源降低了结瘤形成的可能性，有助于在长时间内保持靶材质量，从而可以更好地利用靶材。这种制程电源方法通过定期反转极性使靶材表面放电，来减少电解质的形成和电弧放电。随着频率增加，电解质表面放电的频率也有所增加，从而降低了结瘤形成的可能性。这不仅能够延长靶材使用寿命，还能够降低对基板的损害。

图3 在使用平面靶材的典型磁控工艺中，靶材表面低溅射速率区域的小爆炸会释放出粒子，使您不得不在靶材被全面被利用之前就需要替换靶材。

当限制输送至电弧的电源引起结瘤爆炸时，高效的电弧管理和低储能可以降低损害。这些特点可以运行一个可能含有结瘤的陈旧靶材，同时将电弧能量降至可以保持薄膜质量的水平。如果没有这些特点，当结瘤形成增加时，必须停止制程，丢弃和置换靶材，即使靶材可能仅被利用了一部分。这必须使用全新的靶材，从而增加了成本，即使旧靶材可能仅被利用了一部分。它还会因为要求系统全面停工而降低生产量

选择射频直流和射频脉冲直流电源

一般来说，选用射频脉冲直流电源比普通的射频直流电源要好。有关薄膜质量、生产率和成本上的区别和前文中 在直流和脉冲直流电源中选择 的描述可以一样的应用。

设置射频直流电源或射频脉冲直流电源的制程

将射频和直流或将射频和脉冲直流结合在一起会给制程设置增加一些复杂性和成本。当这两种不同类型的电源同时运作时，尤其是在电弧控制上会带来挑战。

这些配置中，直流或脉冲直流电源能比射频电源更加精确地发现电弧并对电弧做出反应。因此，直流电源必须能控制射频装置，当出现电弧时能把直流和射频电源都关闭。它必须还要能在电弧消失后迅速恢复供电。当今市场上的直流电源在此方面有很大的差异。有些并不提供内置的直流/射频控制方法，有些则提供强有力的控制。

电源的选择是一种艺术，又是一种科学。在为应用确定理想电源的过程中必须考虑许多因素，包括靶材、工艺化学和阴极设计。它还必须符合对溅射率和薄膜特征等因素设定的特殊性能标准。

对于某些工艺和/或材料来说，选择十分有限，因此电源的选择相对简单。然而，对于二氧化锡和二氧化硅等材料来说，工艺电源的选择却很多。就二氧化硅而言，选择包括脉冲直流电、交流电和射频。如何在其中做出选择取决于首要考虑的因素。通常来说，脉冲直流电能够使二氧化硅的沉降速率最快，但是与其它电源方法相比，它也可能会导致工艺较不稳定。它还会面临阳极消失的问题。如果选择使用交流电来沉积二氧化硅，那么溅射率可能会稍低，但是却可以避免阳极消失的问题。最后，射频不仅不会带来阳极消失的问题，而且在所有选择中它所产生的薄膜质量最高。射频主要的缺点是溅射率最低。但是，如果对应用而言薄膜质量十分重要，那么射频可能仍是最佳选择。

正如前所述，在选择电源时必须考虑对溅射率、薄膜特征等因素的特殊要求。此外，还应考虑阴极设计、（可旋转/平面，单/双）、工艺化学和靶材。一般来说，随着靶材传导性的降低，推荐使用的工艺电源类型的频率也应更高。也就是说，使用绝缘性很强的靶材的工艺往往需要射频等高频电源才能顺利完成，而传导性很强的靶材则通常需要使用直流电和脉冲直流电。请注意：在某些易起反应的应用中，即使您使用的靶材能够导电，但产生的薄膜却可能是电绝缘的，这样阳极就可能被绝缘材料所覆盖。在这种情况下，如果避免阳极消失问题对成功完成生产作业至关重要，那么使用交流电源的双阴极工艺会是最佳选择。

三、电源质量评估

测试1

全额定输出功率下运转您的电源。突然关闭气体供应。这是在模仿有人未能补充气体或替换气体瓶的现实情况。电源会产生什么反应呢？它是继续正常运行，还是只转到高压、断路情况，还是发生故障（故障可能涉及烟雾、火光或其他明显的故障显示）？

如果您的电源仍能完全正常运转，请继续以下测试。

测试2

重新供应气体。即使通过了测试1，那么现在您的电源现在是出现故障，还是重新正常运转呢？

如果您的电源仍能完全正常运转，请继续以下测试。

测试3

经过了测试1和测试2后，将您的电源运行在全金属模式（高电压、低电流）。

如果您的电源仍能完全正常运转，请继续以下测试。

测试4

缓慢降低气压至 4 Torr 中间范围。您的电源应该可以耐受气体不足的情况。

如果您的电源仍能完全正常运转，请继续以下测试。

测试5

为测试您电源的快速处理能力、大幅的阻抗值变化（参见下列滞后曲线）的能力，请您先以充氩、全金属模式（高电压、低电流）运行电源，然后快速切换至充氩、全额定功率、全反应模式，最后转到充氩、全额定功率。

滞后曲线

如果您的电源仍能完全正常运转，请继续以下测试。

测试6

如果您的电源通过了1-5项测试，在严峻的电弧放电条件下对其进行观察。电源是否能在电弧破坏薄膜质量前发现并进行消弧处理？

结论

如果不能通过所有测试，电源质量就不足以确保您的制程产量和投资资本。此外，如有必要，先进的保护电路可以关闭设备，以防止电源设备损坏。

四、溅镀率(速率、效率)

1、决定溅镀率的因素

溅镀率的多少取决于每个不同的配置——配置可能是动态的。决定溅镀率的有以下因素：

• 溅镀腔室几何构造和阴极/阳极设计
• 运行气压
•  气体混合
• 靶材厚度
• 磁场强度
• 运行功率
• 靶材到基板的距离

可能看到溅镀率在2到10 Å /秒。优化溅镀系统必须在成本、溅镀率和薄膜质量之间保持平衡。而事情的关键是要真正地了解溅镀腔室和溅镀制程。应该以初始速率运行比实际制程更长的时间，以了解溅镀腔室和制程特点。要了解在实际制程时会发生什么，可以在较低功率的条件下尝试这些初始速率，慢慢调高功率，作为一种系统评定的方法。

2、溅镀率的优化

一般规则是压力越低，溅镀率和薄膜质量越高，因为这种情况下等离子区的分子碰撞较少，等离子投射距离（溅镀的粒子从靶材到达基板的能力）较长。因此，尽可能地在低的压力下进行溅镀，当然，要避免陷入气体不足的情况，这会使您的电源出现问题。

可以做的第二件事是使用一个磁场强度计来检查磁控管的平衡。不平衡的磁控管会增大等离子投射距离，产生多余的电子，这会影响基板温度和薄膜质量。平衡的磁控管可集中投射距离，这将有助于提高溅镀率，尤其是当阴极与基板之间的距离较大时。

不平衡的磁控管（上图）相对于 平衡的磁控管（下图）

第三，检查磁体的强度。随着磁体磁力的增强，等离子投射距离也随之增大。需要注意的一件事就是，尽管这可以带来更高的溅镀率和薄膜聚积密度，但较强的磁力会加深靶材凹槽深度，这会降低利用率。在使用平面靶材的典型磁控溅射工艺中，溅射集中在“跑道”(racetrack)，即切线磁场最强的靶材表面区域。（图1和图2）

图1 显示跑道侵蚀模式的平面靶材

跑道外面的溅射速率要低得多，并且可能会形成氧化物（图3）。在 ITO 等陶瓷靶材的溅射过程中，因为靶材材料中含氧，并且通常会被引入腔体，所以氧化物可以轻易形成。在金属溅射中，氧的存在可归因于腔体泄露或由于基板以及载体的除气作用引起的水汽。形成氧化物的区域通常被称为“结瘤”。这些氧化物区域是绝缘的，并且允许电荷积累。由于薄膜非常薄，即使在低压状况下，电场也特别强。一旦电场足够强，靶材表面就会出现击穿（电弧）。这些电弧产生的粒子会损害基板。在严重的情况下，当电弧没有被消除，或因为没有电源灭弧或电源灭弧不足导致电弧持续燃烧时，也会损害靶材材料。

所有的这些都表明，溅镀率是一个复杂而多方面的问题。