靶表面的溅 射刻蚀速率和基片面上的膜沉积速率都提高。和其他的溅射装置相比，磁控溅射 的生产能力大，产量高，因此便于工业应用和推广。 ２．功率效率高 低能电子与气体原子的碰撞几率高，因此气体离化率大大的增加。相应的， 放电气体（或等离子体）的阻抗大幅度降低。结果，直流磁控溅射与直流二极溅 射相比，即使工作压力由１０～一１０４ Ｔｏｒｒ降低到１０’３－１０．４Ｔｏｒｒ，溅射电压也同时 由几千伏降低到几百伏，溅射效率和沉积速率反而成数量级的增加。 为了更好的说明这一问题，利用溅射功率效率这一指标进行分析。靶的溅射速率 除以靶的功率密度，称为溅射的功率效率，单位是［Ａｌｍｉｎ／Ｗ／ｃｍ２］，这是比较溅 射效率的实际指标。由实验可知，对于大多数金属来说，离子能量为２００—５００ｅｖ 时溅射功率最高，因为是溅射镀膜的最佳工艺参数。溅射功率效率的含义是：入 射功率贡献给溅射的份额。其它的份额则贡献给靶材发热，ｘ射线发射，二次电 子的发射等，这些能量消耗对溅射来说是可以看成是“无功的”，所以功率效率 越高，在同样的功率输入时，溅射效率越高。而磁控溅射的靶电压，一般在 ２００一１０００Ｙ，典型值６００Ｖ，正好处在功率效率最高的范围内，二极溅射靶的电压 为卜３ＫＶ，处在功率效率下降的区域。也就是说。过高的入射离子能量只会使靶 过分加热而对溅射的贡献反而下降。 ３．低能溅射
第二章ＣＩＳ太阳能电池ＣＩＳ膜的制各 由于靶上施加的电压低，等离子体被磁场束缚在阴极附近的空间中，从而抑 制了高能带电粒子向基片一侧入射。因此，由带电粒子轰击引起的，对半导体器 件等造成的损伤程度比其他的溅射方式低。曾经有人评价，在制取硅Ｉｃ的ＡＬ电
极，引线等的溅射装置中，经溅射镀膜处理后．对ＭＯＳ ＩＣ的ｃ—Ｖ特性，Ｉ—ｖ特性
的变化影响极小。 、
４．向基片的入射能量低
由电子轰击造成的，对基片的入射热量少，从而可避免基片温度的过度升高。 同时，在直流磁控溅射方式中，阴极也可不接地，处于浮动电位，这样电子可不 经过接地的基片支架，从而通过阳极流走，从而有可能减少由电子入射造成的基 片热量的增加。 在溅射装置里，基片温度受到基片的入射热量，基片的热容量以及基片冷却 效率等许多因素的影响。要确定其问的一般关系是非常复杂的。但是，对于确定 的溅射装置和溅射方式来说，每单位面积基片上入射的热量和膜沉积速率之ｔｔ（规 一化的基片入射热量）却是确定的。下表是针对若干种靶材，在磁控溅射方式中， 规一化入射热量的对比。 ５．靶的不均匀刻蚀
在高速的磁控电极中，采用的是不均匀磁场，因此会使等离子体产生局部收 聚效应。同时，会使靶上局部位置的溅射刻蚀速率极大，结果，短时间内靶上就
会产生显著的不均匀刻蚀。靶材料的利用率一般为２０％一３０％。为提高靶材的利用 率，人们采用了各种各样的措施．如，改善磁场的形状及分布，使磁铁在阴极内 部移动等等。 ６．溅射原子的离化
进入溅射装置放电空间的溅射原子有一部分会被电离密度。电离几率与电离 碰撞截面，溅射原子的空间密度，以及与电离相关的粒子的入射频率三者的乘积
成正比。按照近似关系，电离几率和靶的入射电流密度的平方成正比。在进行大
电流放电的高速磁控溅射方式中，溅射原子的离化率一般来说是比较高的。 ７．磁性材料靶 如果溅射靶是由高导磁率的材料制成，磁力线会直接通过靶的内部发生磁短 路现象．从而使磁控放电难于进行。为了产生空间磁场，人们进行了各种研究， 例如，使靶材内部的磁
场达到饱和，在靶上留许多缝隙促使其产生更多的漏磁， 或使靶的温度升高，使靶材的导磁率减少等等。 ８．合金膜的镀制
为了用溅射法制取符合成分及性能要求的合金膜，可以采用合金靶。复合靶
或镶嵌靶，以及采用多靶溅射等。 一般来说，在放电稳定状态下，按照靶的成分，各种构成原子分别受到溅射
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作用，溅射镀膜比之真空镀膜和离子镀的一个优越之处在于，膜层的组分和靶的
组分差别较小，而且镀层组分稳定。不过，在有些情况下由于不同组成元素的选 择溅射现象，膜层的反溅射率以及附着力不同，会引起膜层和靶的成分有较大的 差别。使用这种合金靶，为了制取确定组分的膜，除了根据实验配置特定配比的 靶并尽量降低靶的温度之外，还要尽可能降低基片温度以便减少附着率的差别， 并选择合适的工艺条件尽量减少对膜层的反溅射作用。
２．２．４溅射镀膜的装置
溅射镀膜法中最简单的方式是二极辉光放电型溅射（如图２—１）。这种方式是 在安装靶的阴极以及以其对向布置的阳极（多数情况下为基片或基片支架）之间 施加直流或交流高压（一般为数万伏），使其间产生辉光放电，进而产生溅射镀膜 效果。 ‘靶， 蕾片 阳曩
圈２－１二极辉光放电型溅射 Ｆｉｇ．２－Ｉ Ｄｏｕｂｌｅ ｐｏｌｅ ｓｈｉｎｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ
二极溅射可分为直流二极溅射，直流偏压溅射，非对称交流溅射，吸气溅射 和射频溅射。下表为各种溅射方式的比较： １６
第二章ＣＩＳ太阳能电池ＣＩＳ膜的制各 表２－１各种溅射方式的比较 Ｔａｂｌｅ２—１
Ｃｏｍｐａｒｅ ｏｆ ａ１１ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｓｐｕｒｔｅｒｉｎｇ ｓｔｙｌｅｓ 溅射 方式 溅 射 对 象 溅射 气压 溅射 电压 沉积速率 （Ａ／Ｓ） 膜厚 口ｌ 备 注 控 性
１．３３—１３．３Ｐａ ｌ’７Ｋｖ
直流 二极 溅射 直流 偏压 溅射 非对 称交 流溅 射 吸气 溅射 导
≈１．０ 可能 结构简单 体 导
１．３３－１３．３Ｐａ ｔ’６Ｋｖ ≈Ｉ．０ 可能
相对阳极来说， 基片带－１００’ －２００Ｖ的偏压 体 导
１．３３一１３．３Ｐａ ２’４Ｋｖ ≈１．０ 可能
制取洁净， 高纯膜 体
活 性 金 属
１．３３－１３．３Ｐａ ｌ‘５Ｋｖ ≈１．Ｏ 可能
利用预溅射， 去除活性气体 ２．３实验
２．３．１实验仪器介绍
实验所用的溅射仪器为ＪＧＰ－５００型高真空多靶磁控溅射仪，它具有磁控溅射 镀膜“低温，高速”两大特点，并且３台靶利用射频或直流电源可以镀金属或非 金属膜，做多层膜，样品架可装６块样品提高实验效率。该设备具有样品预处理 室和溅射室双室结构，可以在实验前在真空中对样品进行预处理，并保持溅射室 较高的真空度，提离工作效率。抽气系统由机械泵。分子泵组成，保证实验背景
清洁，获得好的薄膜。 ＪＧＰ一５００型高真空多靶磁控溅射仪的溅射系统示意图（ａ为预处理室和溅射室 的示意图，ｂ为其中一个靶的示意图，三个靶在同一平面上）为： 华南理工大学硕士学位论文 （ａ） 甏口 （ｂ）
图２－２溅射系统示意图 １．阻抗匹配，２．靶，３．载物台，４．流量控制 Ｆｉｇ．２－２ Ｓｋｅｔｃｈ １．ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｐ ｏｆ
ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
ｍａｔｃｈｉｎｇ，２．ｔａｒｇｅｔ，３．ｃａｒｒｙ
ｄｅｓｋ，４．ｆｌｕｘ ｃｏｎｔｒｏｌｌ
ＪＧＰ一５００型高真空多靶磁控溅射仪主要由ＳＹ型射频功率源，Ｄ０７系列流量控 制器，机械泵，分子泵，ＤＬ－９真空计和ＬＸ一８００型冷却循环水机。 ２．３．２
ＪＧＰ一５００型超高真空多靶磁控溅射仪器使用过程 装上铜靶，放入基片（使耙与基片对正）等工作做完后，关好所有的闸门， 开始抽真空。在作实验之前，真空度要达到一定的标准，才能使样品在洁净的环 境下溅射镀膜。此次实验，本底真空度到１０。４Ｐａ就开始实验。过程如下所述： ①启动： （１）开启总电源及机械泵电源，启动机械泵４—５分钟进行预热后，开循 环冷却水机，启动分子泵电源使其工作，使分子泵工作在正常的工 作状态，工作频率为７００ＨＺ。 （２）打开ＤＬ一５，ＤＬ一９真空计，射频及直流电源，步进电机电源。 ②实验：
（１）当ＤＬ一９中显示的压强到达所需的真空度（大约ｌＯ＿４Ｐａ左右）时，调 节分子泵到４００ＨＺ。关闭ＤＬ一９。 （２）通入Ａｒ气，调节流量旋纽，使ＤＬ一５真空计的读数为所需要的压强 （一般为卜４Ｐａ之间）。关闭ＤＬ一５。 （３）调节射频电源的参数．使功率达到所需。 （４）溅射室出现辉光放电现象，并且射频电源的参数稳定后，开始溅射 计时。
⑧实验完成后： （１）关闭Ａｒ气，调节功率为零。 （２）停分子泵，一段时间后停水冷系统，分子泵．机械泵，射频功率开 关等。 （３）冲入惰性气体，取样。 （４）关掉各种电源，最后关闭总电源。 如果样品室中有很多的基片，要连续溅射．溅射完一个基片后，把所要溅射 的基片移到靶下，只用做③（１），然后从②（２）开始作起，依次循环。
在沉积薄膜之前，要对基片进行清洗。因为基片的清洁程度对于所镀薄膜的 附和力，膜的均匀性等有很大的影响。基片的清洗一般是去除基片表面上物理附
着的污物和化学附着的污物。本次实验采用的是基片有三种规格：第一种为Ｉｍｍ 厚的普通玻璃，尺寸为：２ｃｍ×２ｃｍ；第二种为Ｉｍｍ厚的普通玻璃，尺寸为：７．５ｃｍ ｘ
２．５ｃｍ第三种为Ｉｍｍ厚的石英片，尺寸为：３ｃｍＸ ｉｃｍ，这种基片能耐高温主要
是用来做退火及硒化用的。本实验所使用的清洗办法是使用ｌ，２号液进行蒸煮。 ｌ号液成分为：去离子水，双氧水和氨水。２号液成分为：去离子水。双氧水和盐 酸。配比分别为： １号液：氨水：双氧水：去离子水＝ｌ：２：５ ２号液：盐酸：双氧水：去离子水＝ｌ：２：８ 具体过程如下： 把所要清洗的基片放入石英舟中，再把石英舟放入烧杯中。配置ｌ号液，配 好后，倒入烧杯中．将其放到电炉上煮，沸腾后过５－６分钟，取下烧杯．用去离 子水冲洗基片５—６次。再配置２号液，配好后倒入烧杯，在电炉上沸腾后５－６分 钟，取下烧杯，同样用去离子水冲洗５—６次，然后拿到氧化炉去烘干待用。 ９
华南理工大学硕士学位论文 ２．４薄膜的制备
为了熟悉ＪＧＰ一５００型超高真空多靶磁控溅射仪器的使用，了解它的特性，本 次实验首先做了ｃｕ膜的沉积，在能熟练操作本仪器之后，相继制备了Ｃｕ—Ｉｎ预制 薄膜以及ｃＩＳ薄膜。当然，制备Ｃｕ膜的这部分工作不仅仅是为了熟悉仪器，实际 上，ｃｕ膜除了
在本次课题制备ＣＩＳ多晶薄膜材料中起着至关重要的作用外，在其 他方面的应用也非常广泛。
铜是人类最早发现的古老金属之一，早在三千多年前人类就开始使用铜。铜 具有许多可贵的物理化学特性，其热导率和电导率都很高，化学稳定性强，抗张 强度大，易熔接，具抗蚀性、可塑性、延展性。纯铜可拉成很细的铜丝，制成很 薄的铜箔。能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金．铜是与人类 关系非常密切的有色金属，被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、 国防工业等领域，在我国有色金属材料的消费中仅次子铝。铜在电气、电子工业 中应用最广、用量最大，占总消费量一半以上。建筑业、机械制造业、交通运输 业等也消耗大量的铜。 现代科技的发展已使薄膜技术成为一个重要的科技领域。不论是在大规模集 成电路中。还是在薄厚膜混合集成电路中，以及在各种传感元件，光学仪器中都 大量使用薄膜。在超大规模集成电路的设计制造中，随着其集成度和工作频率的 不断提高，对多层布线中的内连线和地线的热稳定性、机械强度等要求越来越高。 铝、铜及其合金材料常用作集成电路的内连线和地线。随着半导体集成电路的发 展，对集成电路集成度和可靠性的要求越来越高，而引线材料是影响半导体集成 度的一个重要因素。在集成技术领域，正在探索研究用ｃｕ代替Ａｌ作连线。１９９７ 年９月ＩＢＭ和ＭＯＴＯＲＯＬＡ公司相继宣布开发成功一项新的半导体制造技术，即“铜 布线芯片技术”，以铜代替铝来制作硅芯片上的金属接触和布线。利用这一技术， 可以使集成电路上元件的尺寸做得更小，在一个单片上集成更多逻辑电路，有利 于实现智能专用集成电路芯片。Ａ１膜作为引线材料，由于其电阻率较大的限制， 以及在大电流下有明显的电迁移现象ｍ，３９】，已经不适应集成电路的发展，而Ｃｕ 的电迁移率小，其电阻率也比Ａ１小６０％，采用先进的Ｃｕ布线工艺，不但使器件 的集成度大大提高，而且使器件的寿命延长。所以尽管铝材料易获得，且价格低 廉，工艺成熟，但铝引线在高温大电流下工作时，由于易电迁移而导致元件失效。 和铝相比，铜具有电阻率低，导热性好，热膨胀系数小和熔点高等特性，有利于 提高电路的工作频率和抗电迁移能力。因而在ＵＬＳＩ中采用Ｃｕ互连线代替Ａ１可以 增加电子器件的传输速度和提高器件的可靠性。另外Ｃｕ的激活能约为‘１．２ｅＶ，而
Ａｌ的激活能约为０．７ｅＶ。Ｃｕ互连线寿命约为Ａ１的３—５倍。 ２０
第二掌ＣＩＳ太阳能电池Ｃ１￥膜的制各 ｃｕ膜材料制备和在ＶＬＳＩ、ＵＬＳＩ器件互连中的应用技术是近年金属化研究中 的热点之一，虽然ｃｕ互连在Ｓｉ器件中的实际应用还有许多困难，但随着布线工 艺水平的提高。ｃｕ必将成为超大规模集成电路引线的主要材料。目前国际上对于 ｃｕ互连的研究，主要集中在Ｃｕ膜淀积技术、刻蚀工艺和互连结构等方面。 ２．４．１ ｃｕ膜的制备
仪器中三靶的位置在同一水平面上，本实验用了一个靶位。具体的实验条件 如下：无氧铜靶的直径是ｌＯＯｍｍ，厚度６ｍｍ，纯度９９．９％；用Ｉｍｍ厚的普通载波片 玻璃作衬底，尺寸有两种：一种为２ｃｍＸ２ｃｍ，另一种为７．５ｃｍｘ２．５ｃｍ。由于磁控 溅射薄膜的沉积率和衬底材料、衬底的温度、氢气压强、溅射功率以及电极距离 等都有很大的关系。所以为了能得到合适的溅射速率，我们在不同功率下分别做 了几次溅射，具体条件如下表２—２所示。
表２－２ Ｃｕ薄膜的沉积条件
Ｔａｂｌｅ２－２ Ｔｈｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｃｕ ｔｈｉｎ ｆｉｉｍｓ 样品 编号