高速反应电子回旋共振沉积Ni-Zn铁氧体薄膜
[发布时间]：2010年7月23日
[来源]：电子变压器资讯网
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【导读】： 搞要：为了用反应溅射法高速沉积Ni-Zn铁氧体薄膜，在电子回旋共振（ECR）溅射设备上装备了溅射面积为750CM2的锥形靶。将基片温度加热到250℃，以44nmmin，沉积速率可制得饱和磁化强度高...
搞要：为了用反应溅射法高速沉积Ni-Zn铁氧体薄膜，在电子回旋共振（ECR）溅射设备上装备了溅射面积为750CM2的锥形靶。将基片温度加热到250℃，以44nm/min，沉积速率可制得饱和磁化强度高达290emu/cm3、矫顽力低至11 Oe的高取向度Ni-Zn铁氧体薄膜。发现，Ni-Zn铁氧体薄膜的饱和磁化强度和矫顽力的大小，与还原工艺参数——由沉积速率归一化的氧分压密切相关。
关键词：ECR溅射，Ni-Zn铁氧体，铁氧体薄膜，高沉积速率，低温溅射。
1 前言
利用电子回旋共振（ECR）现象产生的微波等离子体，可以低气压（10-2~10-1Pa）放电，可将离子能量控制在低能（数ev~数+ev）范围内，而且电离效率高。最近，各方面都在运用等离子体溅射法（ECR溅射法）制造薄膜，而且逐渐认识到了它的很多优点：等离子体的产生和溅射机构独立控制性好，控制范围宽，用大量活性等离子体照射基片，有促进薄膜生成的效果等。特别是应用这种技术制备氧化铝、氮化铝、氧化硅、钛酸锶，铁氧体等各种氧化物薄膜及氮化物薄膜时，即使基片的温度低，也能够得到结晶性能良好的薄膜。S.Yamamoto等人曾用Co-Fe金属靶材，在氩和氧混合气分中反应ECR溅射，以200℃以上的基片温度，成功制得矫顽力高达3000 Oe含Co的尖晶石铁氧体薄垂直磁记录介质。但是，采用原有的ECR溅射设备，成膜速率低至1~2nm/min。因此，他们进行了可高速成膜的ECR溅射设备的开发。在新开发溅射装置上装有3块100mm见方的平板型靶材，以200℃基片温度，可以14 nm/min沉积速率制作Ni-Zn铁氧体软磁薄膜。
为了进一步提高用ECR溅射法制备Ni-Zn铁氧体薄膜的成膜速率，S.Yamamoto等人把原来的平板形靶材改成面积为其2.5倍的锥形靶。这样改变靶材的形状，有几个优点。即，第一，锥形靶可全方位覆盖等离子体的引出口，增加溅射的有效面积。第二，锥形靶可以放置在等离子体正要引出之前，故能够充分利用高密度、高活性的等离子体。由此，可以提高成膜速度。此外，平板型靶材只具有120o对称性，而锥形靶系轴对称，因而可望改善磁性能及膜厚度分布的均匀性。
2 实验方法
图1 本研究用岛津制作所（株）产SLC-75ES型ECR溅射设备的主体结构剖示图。该设备以在磁头生产现场形成DLC保护膜的ECR等离子体CVD装置（岛津制作所产DLC-MR2和DLC-MR3型）为基础，给溅射靶和靶材追加了偏场电源，而ECR微波等离子发生部和成膜室的尺寸保持不变，系改进型ECR溅射设备。为了用作实验，设了基片自动传送系统，系用负载销定的手动操作更换基片。为了生成高密度的等离子气体，运用了高输出（最大900W）功率微波源。另外，在提高微波功率后，为了容易与之匹配，采用了把微波导入等离子体生成室圆腔内的轴方向的方式。靶要尽量靠近等离子体的出口，使其在高密度区有效地利用等离子体产生室发散出来的等离子气体。另外，为了避免反撞氩气的影响并提高成膜速率，使靶面与基片成45o角放置（接近on-axis）,提高溅射原子飞向基片的概率。这样放置溅射靶，与市售ECR溅射装置用的圆筒形靶相比，前者不会担心杂质对微波导入石英窗的污染。
图2 是原用平板型靶与此次初用锥形靶的照片说明。原用靶是把3块100mm见方的平板靶材（溅射有效总面积300cm2）以120o角的间隔放置在圆形等离子气体出口的周围，远看与基片成45o角。新用锥形靶的溅射有效面积为750 cm2，是平板靶的2.5倍，内径110mm，外径220mm，靶面的倾角是45o。即，相当于上底55 mm，下底110 mm，高55 mm的台式旋转体侧面。靶材为合金，成分是图1：ECR溅射装置的结构, 图2：溅射靶,基片勿需专门加热，在沉积过程中等离子体照射会使其自然升温；达到恒定状态时，基片温度升至250℃左右。基片用加热氧化硅，制得Ni-Zn铁氧体薄膜的磁性能测量，使用振动样品磁强计；用X射线衍射仪（XRD：Cu-Ka）分析膜的晶体结构。用作磁盘的微米级铁氧体薄膜，若不减小应力，在器件加工过程中会使磁膜与基片剥离。因此，必须事先进行内应力评价。设基片长2r，厚ds，膜厚df，基片位移δ，则内应力可表达为下式。式中，Es —— 基片的杨氏模量；γ —— 基片的泊松比。
3 实验结果
3.1 微波输入功率与靶子电流值的影响
靶子的电流值，与单位时间由溅射靶飞来的氩离子数大致成正比。为了估定这个值，在使用平板靶和锥形靶的场合，使微波输入功率在200~700W内变化，并测定靶子电流。图3中给出了测量的结果。向靶材施加的直流电压，在-200~-600V内变化。可见，靶子电流值与微波输入功率值成比例地增大，而与靶上电压关系不大。原来的溅射法——平行平板型溅射和磁控溅射，靶子电流强烈依赖于靶上的外加电压。ECR溅射法则与之不同，等离子体主要由微波产生，给靶上施加的电压系独立控制。
锥形靶中的靶电流依赖微波输入功率的斜率是平板型靶子的2.5倍左右。这是靶材面积大约扩大了2.5倍的结果。得到了大的靶子电流，就意味着单位时间内敲击靶材的氩离子数多，在这种情况下，溅射原子（ Ni , Zn , Fe ）增加，就有望提高成膜速率。
图3 相对于靶电压，靶电流与微波输入功率的关系曲线。
图4 Ni-Zn铁氧体膜饱和磁化强度和沉积速率与氧气流量比的关系
3.2 Ni-Zn铁氧体薄膜的特性
用通入Ar + O2气体的反应溅射法，制出400nm厚的Ni-Zn铁氧体薄膜。Ar气通入等离子体发生室，O2通到成膜室，要使靶面尽可能不发生氧化。成膜时的溅射总气压（Ar + O2压）恒定为5.5×10-1Pa。用平板型靶材时，微波输入功率为500W，以靶上电压-350V成膜。用锥形靶成膜，微波输入功率600W，靶上施加电压-400V。在用两种不同的靶子成膜中，改变氧气流量比，探索最佳沉积条件。这里说的氧气流量比，氧气流量占气体（Ar + O2）总流量的百分数。图4显示，在使用平板靶和锥形靶成膜的两种情况下，Ni-Zn铁氧体薄膜的饱和磁化强度（Ms）和沉积速率与氧气流量比间的关系。在图中的灰色区，示出与靶材同成分块状Ni-Zn铁氧体的Ms值。在使用平板型靶子时，以5%的氧气流量比，14nm/min 沉积速率制得Ms=224emu/cm3的Ni-Zn铁氧体薄膜。当采用靶面积约为平板型靶材2.5倍的锥形靶时，要制出Ms值与块状Ni-Zn铁氧体相同的薄膜，需要比平板靶大2.6倍的氧气流量比（13%）。采用这样大的氧气流量比，成膜速率可提高到平板靶的3倍以上，44nm/min 。另外，在Ms同量级范围，用平板靶和锥形靶制得的薄膜均系Ni-Zn铁氧体光晶石单相，且优先取向于（400）面。不过，在用锥形靶成膜时，只要使氧气流量比偏离最佳值（13%）的1%，衍射线的强度就会明显减弱，并出现Ni-Zn铁氧体（400）面之外的Ni-Zn铁氧体（101）面，Ni-Zn铁氧体（511）面等，结晶性能及晶粒取向度大大下降。可见严格控制气体流量，就显得十分重要。这是因为，使用金属靶材的反应性溅射，薄膜中的氧含量取决于氧气的流量比。从图4看出，当靶面处于金属和氧化物间的过渡状态时，要获得需要的Ms值并形成尖晶石结构，靶面状态的变化受氧气流量的影响很大。图5 示出Ni-Zn铁氧体薄膜的磁性能与由成膜速率（Dr）归一化的氧分压（Po2）间之关系。图中给出了在使用平板型靶和锥形靶时各自用的微波输入功率，靶上施加的电压及氧气流量比。这里，氧分压定义为氧气流量比（%）与全过程总气压（Pa）的乘积。图5 Ni-Zn铁氧体薄膜的磁性能与用沉积速率（Dr）归一化的氧分压（Po2）间的关系。图6 应力与靶上电压之关系。从图5可知，饱和磁化强度（Ms）和矫顽力（Hc），对成膜速率归一化氧分压（Po2）的依赖关系，用一条曲线便可绘出。Ms值随Po2增大而降低。从图5（a）看到，要得到块状Ni-Zn铁氧体200~320 emu/cm3的Ms值，必须把Po2控制在 以内。如图5（b）所示，在这个氧分压范围，可获得低的矫顽力；超过这个范围，Hc值增大。可见，成膜速率归一化的氧分压低于上述范围，又会产生 等非磁性氧体物。即，在改变靶材，成膜速度变化时，要得到氧化度，磁特性和结晶性能都均相同的铁氧体薄膜，把成膜速率归一化的氧分压调到恒定的量，非常重要。图6示出Ni-Zn铁氧体薄膜的内应力与靶上施加电压之关系的测量结果。看出，随着靶上电压升高，内应力有从负（压应力）向正（张应力）增加的趋向。认为，这与飞向基片的原子所持能动的增大有关。不过，要正确地说明这点，还需要在严格控制组成（氧化度）之后，只在改变飞来原子动能时测定铁氧体薄膜的应力等，以做进一步的研究。可是，能获得期望饱和磁化强度值（按块状材料预定的值180~320 emu/cm3）和尖晶石结构的Ni-Zn铁氧体薄膜的靶上电压，平板型只能在-350V附近，而锥形靶必须接近-300V。超过这两个值，就得不到具有预定Ms值和尖晶石结构的Ni-Zn铁氧体薄膜。获得光晶石结构时的内应力在4×109达因/厘米2左右。若能保持这个内应力数制成厚数μm的膜，就不会担心薄膜从基片上剥离出来，即使是隔离器/环行器用更厚的铁氧体膜，也应当适用。
4 总结
应用电子回旋共振微波的反应ECR溅射法，以高沉积速率制备了Ni-Zn铁氧体薄膜。将原用的平板型靶材改为锥形靶，使成膜速度达到了44 nm/min。这样制得的Ni-Zn铁氧体薄膜有Ms=290emu/cm3，Hc=11 Oe，且晶粒择优取向于（400）面。采用这种ECR溅射设备，即使改变靶材形状，沉积速率，微波输入功率和靶上电压，只要将以沉积速度归一化的氧分压保持恒定，都能制出磁性能大致相同的铁氧体薄膜。
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