[论文解读] An upgraded ultra-high vacuum magnetron-sputtering system for high-versatility and software-controlled deposition

Arnaud le Febvrier, Ludvig Landälv+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2020

Metal and Thin Film Mechanics参考文献 31被引用 86

一句话总结

本文介绍了一套升级版的超高真空（UHV）磁控溅射系统，专为在金属、氧化物、氮化物和氧氮化物薄膜的沉积中实现高度通用性而设计。该系统通过定制的LabVIEW软件实现软件控制的自动化，实现精确、可重复的过程控制，包括实时日志记录、挡板启闭时间控制、偏压电压施加以及线圈增强的等离子体密度，支持复杂多层与超晶格结构的沉积，实现所有参数的同步控制，并通过基于CSV的层定义实现可编程序列。

ABSTRACT

Magnetron sputtering is a widely used physical vapor deposition technique. Reactive sputtering is used for the deposition of, e.g, oxides, nitrides and carbides. In fundamental research, versatility is essential when designing or upgrading a deposition chamber. Furthermore, automated deposition systems are the norm in industrial production, but relatively uncommon in laboratory-scale systems used primarily for fundamental research. Combining automatization and computerized control with the required versatility for fundamental research constitutes a challenge in designing, developing, and upgrading laboratory deposition systems. The present article provides a detailed description of the design of a lab-scale deposition chamber for magnetron sputtering used for the deposition of metallic, oxide, nitride and oxynitride films with automated controls, dc or pulsed bias, and combined with a coil to enhance the plasma density near the substrate. LabVIEW software (provided as Supplementary Information) has been developed for a high degree of computerized or automated control of hardware and processes control and logging of process details.

研究动机与目标

• 为解决在实验室规模物理气相沉积系统中，实现高通用性与自动化计算机控制相结合的挑战，以支持基础研究。
• 实现在UHV条件下对金属、氧化物、氮化物和氧氮化物薄膜的精确、可重复沉积。
• 开发一种软件控制的系统，能够管理复杂的沉积序列，包括多层与超晶格结构，实现挡板、偏压与等离子体增强的同步控制。
• 提供一个可自由修改、开源的LabVIEW软件框架，便于在其他沉积系统中复制与适配。

提出的方法

• 系统采用低合金不锈钢制造的UHV腔体（本底压力 < 3.9×10⁻⁷ Pa），并配备负载锁用于样品转移。
• 四个磁控溅射源支持直流、射频或脉冲直流电源，可使用Ar、O₂和N₂气体实现多种材料的沉积，气体流量由质量流量控制器控制。
• 采用基板偏压电源和外部线圈，以增强等离子体密度并控制沉积过程中的离子轰击能量。
• 通过定制的LabVIEW软件界面，实现对所有过程参数的实时监控、日志记录与自动化控制，包括压力、气体流量、功率、电压、电流、温度和电弧计数。
• 沉积序列（包括多层与超晶格结构）通过逗号分隔值（CSV）文件进行编程，定义每层的时间、挡板状态、偏压与线圈设置。
• 系统配备四极质谱仪，用于残余气体分析，并实现实时监测沉积过程中反应气体的分压。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在超高真空条件下，使实验室规模的磁控溅射系统实现对金属、氧化物、氮化物和氧氮化物薄膜的高通用性沉积？
• RQ2 基于软件控制的研究级系统能够实现多高的自动化与过程控制水平？其在提高可重复性方面有何优势？
• RQ3 基板旋转与线圈增强的等离子体密度对溅射粒子在基板上的分布均匀性与能量分布有何影响？
• RQ4 定制的LabVIEW软件框架在实现多层与超晶格等复杂沉积序列方面，其对多个系统组件的同步控制能力达到何种程度？
• RQ5 实时日志记录与参数同步的集成是否能显著提升基础材料研究中实验的可追溯性与可重复性？

主要发现

• 在140 °C下烘烤48小时后，系统本底压力低于3.9×10⁻⁷ Pa，确保了高真空完整性。
• 在0.33 Pa（2.5 mTorr）氩气压力下，测得有效抽气速度最高达216 l/s，显著降低了反应溅射过程中的滞后现象。
• 基板旋转可减少沉积不均匀性，粒子通量变化从非旋转状态的50%降低至旋转状态的9%。
• LabVIEW软件可同时实时监控多达六个过程变量，具备完整的数据日志记录功能，并可自动控制挡板、偏压与线圈功率。
• 采用基于CSV的层定义文件可实现无限层序列与复杂参数组合，支持多层与超晶格结构的沉积。
• 系统支持自动靶材清洁程序，并实现对多个组件的同步控制，设置1秒等待时间以确保挡板与电源供应之间的时间精度。