磁控溅射靶的磁场排布分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)核工业西南物理研究院 作者:韩大凯

      近几十年来,磁控溅射技术已经成为最重要的沉积镀膜方法之一。广泛应用于工业生产和科学研究领域。如在现代机械加工工业中,利用磁控溅射技术在工件表面镀制功能膜、超硬膜、自润滑薄膜。在光学领域, 利用磁控溅射技术制备增透膜、低辐射膜和透明导膜, 隔热膜等。在微电子领域和光、磁记录领域磁控溅射技术也发挥着重要作用。然而磁控溅射技术也有其自身的不足,如靶材利用率低、沉积速率低和离化率低等缺点。其中靶材利用率是由于靶面跑道的存在,使等离子体约束于靶面的局部区域, 造成靶材的区域性溅射。跑道的形状是由靶材后面的磁场结构所决定的。提高靶材利用率的关键是调整磁场结构, 使等离子体存在于更大的靶面范围, 实现靶面的均匀溅射。对于磁控溅射,可以通过增加靶功率的方法实现溅射产额的提高, 但是由于热载荷的影响, 靶材可能出现融化和开裂的问题。这些问题可以通过在相同靶材面积的情况下,使

       靶面的溅射面积增加,导致靶面的功率密度降低来解决。所以对磁控溅射阴极的磁场设计一直以来都在不断的进步。其中比较有代表性的如: 圆形平面磁控溅射源, 通过合理设计磁场,使形成的跑道通过靶面中心,利用机械传动装置旋转磁体, 实现靶面的全面溅射; 矩形平面磁控溅射源, 通过传动机构使磁体组合在靶材背面做菱形或梅花形运动,使整体靶材利用率达到61%; 通过多磁路的配合调整, 实现靶面低压全面刻蚀。调整磁场的结构还可以改善膜厚度的均匀性。通过调整磁场的强弱比例,而发展的非平衡磁控溅射技术,更是具有离子镀的功能。所以说磁路设计是磁控溅射源中最重要的部分。

磁控溅射靶的磁场排布

      在平面磁控溅射靶中, 磁钢放置于靶材的后面, 穿过靶材表面的磁力线在靶材表面形成磁场。其中平行于靶面的磁场B 和垂直靶表面的电场E,形成平行于靶面的漂移场E×B。漂移场E×B 对电子具有捕集阱的作用, 从而增加了靶面这一域的电子密度, 提高了电子与中性气体分子的碰撞几率, 强化了溅射气体的离化率, 从而增加了溅射速率。对于通常的平面矩形磁控溅射靶, 磁钢排列如图1 所示( 相邻磁钢极性相反,即NSN或SNS) 。

磁钢排布和磁力线分布 

图1 磁钢排布和磁力线分布图

      图1 中的磁力线分布是通过数值模拟方法计算出来的, 可以看出在靶面磁力线近似平行于靶面的范围很窄。由于在磁控溅射系统中, 靶面的溅射区域主要集中在磁力线近似平行于靶面的范围。随着溅射不断进行, 刻蚀槽的宽度随着刻蚀深度的增加不断变窄, 最后形成的刻蚀轮廓如图2 所示。

通常磁钢排布形成的刻蚀 

图2 通常磁钢排布形成的刻蚀

       通过面积计算可知, 上述的磁钢排列方式,靶材的利用率大约只有20%。可见通常的磁钢排列方式, 难以获得高的靶材利用率和沉积速率。

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