磁控溅射靶的磁场的优化设计
为了提高靶材的利用率,几十年来,已经有了很多优秀的解决方案, 如本文开始提到的一些, 但是大都是通过磁体的机械运动,使磁场在靶面形成的跑道均匀的扫过靶面,实现靶面均匀刻蚀。由于存在运动机构,势必使靶的结构变得复杂。所以通过静态磁钢的合理排列, 而获得理想的磁场分布是最佳的解决方案。在一些文献中提到过几种静态的磁场改进设计,想通过改变磁钢形状,如想采用磁钢去角的方法获得优秀的靶面磁场分布。结构形式如图3 所示。
图3 磁钢去角
通过数值计算可知,图3中的磁力线的形状没有大的变化, 但是靶面磁场的强度却相对减弱, 可见效果并不明显。由于溅射刻蚀主要发生在磁力线近似平行于靶材表面的区域,所以优化设计的基本方法就是使磁力线尽量多的平行于靶面。以下的改进设计方法就是基于此原理。在本文中采用的是磁路叠加原理。磁钢排列如图4所示。
图4 改进的磁钢排布
图4中,在内外两磁路中加入反向磁场,保证相邻磁钢极性相反。对于通常的磁场形式, 在跑道的中央,水平磁场强度最大,从中央向两边水平磁场强度逐渐变小,通过实际测量, 当到达跑道边缘磁场的水平分量低于200Gs,刻蚀现象已经不明显。图4中,反向磁场的作用是使跑道中央的水平磁场强度减弱, 同时小磁钢与相邻的大磁钢形成磁路, 结果把跑道边缘的水平场强度增强。从图4 中的磁力线分布情况可以看到反向磁场起到了平滑和宽展靶面磁力线的作用。理想的情况是实现在靶面的磁力线完全平行于靶面。这可以套用数学上的傅立叶级数公式加以说明。
由傅立叶变换可知, 对于矩形波可以由一系列不同频率的正弦波叠加而成。因为最理想的磁场形式是靶面的磁力线完全平行于靶面, 这样靶面的磁场可以看成一段矩形波, 在内外两磁路中插入反向磁场相当于取两项展开。如图5 所示。
在图4 中, 大磁钢形成的磁场相当于图5中的展开式1,小磁钢之间, 及小磁钢与大磁钢之间形成的磁场相当于图5 中的展开式2, 根据磁路叠加, 最后形成的水平磁场是接近于矩形波的双峰形式。在改进的磁路设计中就是利用这一原理。从图4 和图5 中可以看出, 靶面的磁力线和磁场强度的水平分量更加平滑, 能够有效地增加靶面跑道的宽度, 实现靶面均匀刻蚀。
图5 傅立叶变换
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