磁控溅射靶的磁路设计(2)

2010-01-06 韩大凯核工业西南物理研究院

3、有限元分析计算

　　本文采用Ansys 通用有限元计算软件进行磁场的对比分析。对一般形式的磁钢排列方式和优化的多路磁钢排列分别进行了计算。两种方式的磁钢材料相同, 通过计算分析靶面总的磁通量密度BSUM 及其水平分量BX 和竖直分量BZ 与靶面水平坐标的关系如图6, 7 所示。

图6 通常的磁路的计算结果　　图7 优化磁路设计的计算结果

　　图6 为通常的磁场的计算结果, 图7 为改进的磁场的计算结果。对于各自的靶面位置, 是根据两种磁场结构各自的合理位置选取的。比较图6 和图7 中磁通密度的水平分量BX 的图形, 图6中BX 曲线为单峰形式, 同时单峰的陡峭程度比较大, 由磁镜原理可知, 磁场梯度大, 等离子体被约束在峰中央的几率越大, 所以这种磁场结构更容易形成窄的刻蚀槽。图7 中磁通密度的水平分量BX 曲线为双峰形式。双峰结构正是磁场叠形成的结果。同时磁场在跑道区梯度变小, 这些都有利于靶面的均匀刻蚀。通过调整附加磁场的位置和磁场的强度, 可以使BX 曲线分量在较大的靶面范围内近于平行。可见改进的磁场位形更加有利于靶面的均匀溅射, 扩展了靶面的溅射范围。

4、改进磁场结构靶面实际刻蚀

　　图8 所示为使用改进的磁场结构形成的靶材的刻蚀轮廓。

图8 改进磁钢排布形成的刻蚀

　　在工业生产设备中溅射靶采用上述的磁场排布形式, 能够克服在通常磁钢排列中出现的一些问题。包括: 由于靶材的溅射范围比较窄, 造成靶材的利用率不高。根据图2 和图8 所示, 靶材的利用率将有很大的提高。有些靶材价格比较昂贵, 利用率不高, 势必造成生产成本增加。由于通常磁钢排列形式的靶面非均匀溅射, 随着溅射的不断进行, 靶面的刻蚀范围越来越窄, 在溅射功率恒定的情况下, 靶材的刻蚀深度会加速进行,靶材的使用寿命大为缩短, 在整个生产周期中,增大了换靶频率, 导致生产效率下降, 从生产工艺考虑, 由于靶溅射范围窄, 在靶面非刻蚀区域容易造成溅射粒子的二次沉积, 二次沉积容易形成碎片, 脱落后造成膜的污染, 这是膜污染的主要来源。在镀介质膜时, 反应气体在靶面非溅射区域容易形成不导电的介质膜, 在介质膜上的电荷积累到一定的成度, 形成弧光放电, 造成等离子体的不稳定。优化磁场结构设计制造的磁控溅射源能够有效的解决上述问题, 无论在金属模式下, 还是在反应模式下镀膜, 对生产效率的提高,都有很大的促进作用。

5、实验及分析

　　实验的主要内容是比较通常磁场结构和优化的磁场结构溅射源沉积成膜的均匀性。为了对比说明, 两种结构的溅射靶保持在相同的工艺条件, 实验中本底真空为5 ×10^{- 3} Pa , 工作气体为氩气, 工作真空度为2.3 ×10^{- 1} Pa , 真空度和气体流量分别由真空计和气体流量来调节和控制。实验中两种磁场结构靶面尺寸都为1200 mm×120 mm, 靶功率为15 kW。在实验中采用晶振仪动态测量膜的厚度。晶振片距离靶面距离为100 mm, 在沉积成膜时, 晶振仪探头从靶面的一端移动到另一端。测量结果经过单位换算如图9 所示。可见改进的磁场结构沉积成膜的均匀性要比通常结构的沉积成膜要好。对于通常磁场结构镀制膜的均匀性偏差大致有20%, 而改进的磁场结构沉积成膜的均匀性偏差大致有10%。沉积成膜的均匀性的提高是由于靶溅射面积的增加所引起的。

图9 两种磁场结构膜的沉积速率　　图10 不同气压下靶的伏安特性曲线

　　为了了解磁控溅射源的性能, 对两种磁场结构的溅射源的伏安特性曲线进行了测量。磁控溅射的伏安特性曲线符合以下经验公式:

I=KUn ( 2)

　　式中I 是靶电流, U 为靶电压, 其中n 称为等离子体电子束缚效应系数。n 值反映的是跑道磁场对电子的捕集能力, n 值越大, 气体放电的阻抗越低, 表明靶面磁场对电子的束缚越严密, 通常无磁场的标准二极溅射的n 值为1～2, 而磁控溅射的n 值通常在3～15 之间。实验中分别测量靶在2.3×10^{- 1} Pa 和3.9×10^{- 1} Pa真空度下的伏安特性曲线。

　　图10 为孪生靶在不同气压下的伏安特性曲线。

　　对式( 2) 两边取对数

ln( I) =ln( K) +nln( U) ( 3)

　　可以得到ln (I)和ln (U)的线性关系, n 为直线的斜率。通过最小二乘法, 求出数据的一次拟合曲线, 可以得出n 的值。表1 中列出了对于不同的气压下对应的两种磁场结构的溅射源n 值。从表1 的结果可以看出, 优化的磁场结构对于电子的约束能力有所提高。

表1 不同真空度下n 值