磁控溅射中电磁场分布二维模拟

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)辽宁科技大学电子与信息学院 作者:王晓明

  本文采用计算机FORTRAN 语言自主编程,通过建立通电线圈磁场的数学模型,对磁控溅射靶附近由通电线圈产生的磁场分布进行了二维数值模拟计算。计算表明当内、外线圈加反向电流,增加内或外线圈电流,可使通电线圈产生的磁场非平衡度增加,其增加强度由电流增加强度所决定。随着内或外线圈电流增加,真空腔内磁场强度分布更均匀。通过调节内、外电线圈电流,控制磁场分布,从而控制其对等离子体密度及能量分布,可使等离子体因磁场的均匀分布而在真空腔内分布均匀化。另外,这种外加的电磁场还会使磁控装置本体磁场增强,因此对磁控溅射产生的等离子体有增强作用。此结果为磁控溅射装置上磁场配置提供重要参考依据。

  磁控溅射技术作为有效薄膜沉积的一种方法,已成为现在工业镀膜过程中主要的生产技术之一,普遍地应用到微电子、光学薄膜和材料表面处理等领域。磁控溅射系统的关键核心技术是磁控溅射靶的设计,如磁控靶磁场所配置、柱形磁控靶及可移动矩形磁控靶等。国外在磁控溅射技术分析和设计方面优势明显,已经实现了专业技术的产业化,许多国内的磁控溅射设备制造商磁场设计较随机。

  基于此,国内许多研究者开始在矩形平面靶、圆形靶及柱状靶的磁场分布及优化、外加线圈子改变磁场结构及磁控靶表面刻蚀进行了数值模拟计算。赵卓等对封闭非平衡磁场的计算表明,外场增强的磁场可与底靶对面的磁场形成一定程度的封闭,从而使磁场有一定程度的空间均匀分布。平面磁控靶中,改变磁子及极靴尺寸和形状、加导磁片等,可控制磁场的径向分布,增加水平磁感强度,从而使靶表面的刻蚀跑道变宽。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为增大旋转柱靶的磁子尺寸及磁子间夹角、加孪生柱靶等手段,可提高柱靶表面切线方向磁感强度,增大靶材表面的被溅射面积。

  值得指出的是,中科院沈阳金属所对磁控溅射及阴极弧离子镀膜中,在磁场附近外加磁场的模拟计算及实验表明,外加磁场可影响磁场的非平衡度,从而改变等离子体辉光放电的特征及等离子体分布。另外数值模拟计算还表明,控制磁场分布是改善靶表面刻蚀状况的最佳途径。因此,利用模拟计算的结果对磁控装置设计能给予一定指导。

  在磁控靶的设计中,受永磁材料的限制,永磁场强度的增加是有限的。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为利用通电线圈产生磁场,以增强磁控装置的磁场强度及改变磁场分布将使磁控溅射磁场分布可调,场强可调,将使靶的溅射速率可控、等离子体粒子密度及能量的增强。

  1、研究对象及物理模型建立

  磁控溅射系统的真空室为圆柱形腔体。靶材放置在附近缠绕矩形圆线圈的下极板位置,并接通电源,成为溅射的负电位电极。上极板可接通电源、接地或悬浮,使上极板电位相对于下极板要高。系统内部充入氩气后,调节两极间电压和系统内部气压,在两极板间产生气体放电,形成等离子体。利用通电线圈在系统内部产生的空间磁场,将部分等离子体束缚在基底附近,另一部分较均匀分布在上、下电极间的真空腔内部。假定溅射系统腔体电离区半径为0.28 m,系统高度为0.5 m。当采用柱坐标系对系统沿中心轴剖面的物理性质进行模拟时,假定线圈环绕在溅射装置的外围,并且矩形线圈的截面尺寸为5 cm ×5c m,线圈和极板的距离为1 cm。根据磁场的边界条件,可选取溅射系统腔体电离区半径2 倍、系统高度3 倍的区域模拟磁场。具体系统结构如图1 所示。

磁控溅射系统中线圈的位置图

图1 磁控溅射系统中线圈的位置图

  2、结论

  本文基于漂移- 扩散理论,建立了磁控溅射装置中磁场的数学模型。利用麦克斯韦方程组的求解得到了装置内部的磁场分布数据。结果表明,磁场强度的分布主要受导电线圈通电电流的不平衡度影响。通电线圈对磁场的贡献主要集中在线圈内部区域,随着电流的增大,磁场强度也随之增大。增大外线圈电流,即增强N 磁极强度,可使磁场空间分布更均匀,场强更强。

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