一种全靶腐蚀磁控溅射设备(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电子科技大学光电学院 作者:郝万顺

  传统的磁控溅射设备由于等离子体在靶面形成跑道效应, 所以存在着靶材利用率低, 反应溅射过程中稳定性差的问题。M.J. Thwaites 提出了一种利用磁场将等离子体产生与溅射分开的结构, 本文基于这种结构构造了一个实验平台对其进行了研究, 实现了全靶腐蚀, 提高了系统的稳定性。

  磁控溅射技术有着很广泛的用途, 在这些应用中, 由于传统的磁控溅射技术存在着一些固有的不足, 最显著的问题是等离子体在靶面形成跑道, 所以存在着靶材利用率低, 反应过程尤其是在进行反应溅射过程中很不稳定。要从根本上解决上述的问题则必须使等离子体能够在靶面形成靶面全腐蚀。通常有两种方法达到靶面全腐蚀的目的: (a)将靶设计成闭合等离子体跑道的形状, 如圆锥形等离子体磁控管;(b) 扫描产生闭合磁控管放电的磁铁, 如全腐蚀矩形靶和圆柱形平面式磁控溅射靶。

  此外, 还有一种与常规的磁控溅射有很大区别的思路, 就是将等离子体的产生与靶材的溅射过程分开。1989 年Gregor Campbell 就提出了这种结构。它的离子源部分采用的是螺旋波的天线结构, 尽管等离子体的离化率很高, 但是结构复杂。2000 年M.J. Thwaites 采用了一种更为简单的天线结构来开发设备, 该设备具有溅射中溅射电流出现饱和现象、溅射电流随溅射功率的增加而增加和全靶腐蚀的特性, 在反应磁控溅射中有很大的应用。本文通过对M.J. Thwaites 方法的分析,由此构造了一个实验平台进行了初步试验研究。

1、实验原理

  M.J. Thwaites 的高利用率等离子体溅射方法的原理图如下图所示, 它由三部分组成: 等离子体的产生部分、等离子体到靶表面的输运过程、等离子体对靶的溅射过程。

等离子体溅射方法的原理图

图1 等离子体溅射方法的原理图

  产生等离子的方法有多种, 例如电感耦合等离子体, 电容耦合等离子体, 微波等离子体和螺旋波等离子体等等。设备中采用了电感耦合等离子体方式。射频线圈、射频电源、石英管构成产生离子源的装置。石英管中通入Ar 气后, 在射频电源和射频线圈的作用下产生等离子体。将靠近石英管的直流线圈定义为发射线圈, 靠近靶的部分定义为偏转线圈。由于发射线圈的存在, 使之与单一的电感耦合等离子体有一些不同, 它提高了等离子体的电离率, 在试验中可以看到等离子体在加发射线圈电流后明显发亮。

  石英管中产生的等离子体在直流偏压的作用下到达靶表面进行溅射。而发射电磁线圈和偏转电磁线圈产生的空间磁场将约束等离子体使其在空间形成从石英管到溅射靶的连续的等离子体。流过线圈的电流决定了线圈产生的磁场的大小, 磁场的方向。所以由发射电磁线圈和偏转电磁线圈在真空室内形成的空间磁场的强度和分度就显得很重要。由于两个方向相反的磁场在空间中会相互抵消, 所以两个电磁线圈产生的磁场方向必须一致。

2、实验平台设计和实验结果分析

2.1、实验平台设计

  试验平台中, 产生等离子体的具体部分由石英管, 与石英管同心的射频线圈, 射频电源和阻抗匹配网络组成。射频电源采用频率为13.56 MHz,功率为500W。石英管一端连入真空室, 一端通气体, 射频线圈以圆的铜管绕成, 运行时铜管通冷水, 限制其发热和稳定表面电阻。溅射靶接直流偏压电源的负极进行溅射。

  本文中利用ANSYS 对发射电磁线圈和偏转电磁线圈在真空室内形成的磁场分布和磁场强度进行了模拟。图2 和图3 分别为是两个直流线圈磁场方向一致时在真空室产生的磁场的分布和沿路径地磁场强度分布。图中没有箭头的那条线极为定义的路径, 用于观察磁场强度在空间的分布。由图2的磁场分布可以看出当两个直流线圈方向一致时能够产生约束等离子体连续的磁场。沿路径所产生的磁场强度最高为529 Gauss, 最低为209 Gauss。可见磁场强度达到了发射线圈为50 Gauss, 偏转线圈为500 Gauss 的要求。图4 和图5 分别为是两个直流线圈磁场方向不一致时在真空室产生的磁场的分布和沿路径地磁场强度分布。可以看到磁场分布是不连续的, 沿路径的磁场强度最高为482 Gauss,最低为91 Gauss, 尽管磁场强度满足要求, 但是由于磁场分布的不连续, 所以不会约束形成连续的等离子体。

 两个直流线圈磁场方向一致时真空室内的磁场分布仿真  两个直流线圈磁场方向一致时真空室内磁场沿路径的强度分布 两个直流线圈磁场方向不一致时真空室内的磁场分布仿真 两个直流线圈磁场方向不一致时真空室内磁场沿路径的强度分布

图2 两个直流线圈磁场方向一致时真空室内的磁场分布仿真 图3 两个直流线圈磁场方向一致时真空室内磁场沿路径的强度分布 图4 两个直流线圈磁场方向不一致时真空室内的磁场分布仿真 图5 两个直流线圈磁场方向不一致时真空室内磁场沿路径的强度分布

  在上述装置的基础上再加上真空系统就构成了试验平台。采用不锈钢为靶材我们针对M.J. Thwaites 提出的设备的特性进行了有关溅射电压和溅射电流关系的几组实验。

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