平面磁控溅射靶磁场的模拟优化设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京航空航天大学物理科学与核能工程学院 作者:刘齐荣

  平面磁控溅射靶面水平磁感应强度对靶材刻蚀均匀性及其利用率等有着重要作用。为了提高靶面水平磁感应强度均匀性,在传统磁控溅射平面靶结构基础上,提出了一种采用加装两导磁片的结构,通过ANSYS软件模拟,得出采用不同尺寸及位置的导磁片时的靶面水平磁感应强度分布规律。结果表明,当采用适当的导磁片厚度、导磁片间距及导磁片与内外磁钢距离时,能有效改善靶面的水平磁感应强度均匀性,提高靶材的利用率。同时,通过模拟分析了距靶面不同距离的截面磁场强度分布对靶材刻蚀轮廓的影响。

  磁控溅射技术是当前工业生产过程中最主要的镀膜技术之一,由于它具有溅射速率高、基片沉积温度低、薄膜沉积质量好的特点,一直以来都受到相关行业的关注。由于基片沉积温度低,因而成为柔性基底镀膜的主要方案。但平面磁控溅射系统仍存在一系列问题,如:由于靶面水平磁场不均匀分布,靶材刻蚀呈现逆高斯分布轮廓,导致靶材利用率低等。因此有必要对磁控溅射靶的磁场分布进行优化设计。

  关于提高靶材利用率的磁控溅射靶优化设计的研究甚多,研究者也提出了很多的方案,而且各有自己的优点,总体上可以分为两个类型:一是动态改变靶面的磁场分布;二是从结构上改变靶表面水平磁感应强度的分布。然而第一种类型由于机械结构复杂,在工业中实际应用价值有限;关于第二种的研究,靶材利用率仍局限在30%左右。本文根据磁控溅射靶的特点,基于ANSYS软件模拟了二维磁控溅射靶磁场的分布,提出一种采用两磁导片结构来改善磁控溅射靶面水平磁场分布的方法。

1、平面磁控溅射靶的磁场分布及模拟

  1.1、磁场分析

  磁控溅射靶的磁场分布对靶材利用率、溅射速率与沉积薄膜的性能及质量有着重要的影响,因而通过软件模拟优化设计得到磁场的合理分布对整个磁控溅射镀膜工艺来说是可行且有意义的。

  由于磁场与电场分布的特性,高能电子主要被约束在水平磁感应强度较大的区域,研究表明与电场正交的呈高斯分布的磁感应强度水平分量是使靶材刻蚀轮廓呈现逆高斯分布的主要原因。因此,在优化设计中应使呈高斯分布的水平磁感应强度的波峰尽可能的宽,且峰值附近下降梯度较小,以防止刻蚀出现尖锐的逆高斯轮廓。

  水平磁感应强度的大小对溅射速率及薄膜性能也有着重要影响。在一定范围内,在相同溅射速率下,水平磁感应强度越小,所需要的电源功率越高,高的功率会产生更多的热,可能导致靶材碎裂等问题。而水平磁感应强度越大,对电子的约束能力越强,从而使电离化率、电源效率与溅射速率变高,但由于电子的回旋半径与磁感应强度成反比,超过一定范围后,电子回旋半径缩小,电子对加强电离化的贡献降低,从而使溅射功率效率不再增大,甚至会导致靶材利用率下降。综合以上因素,靶面水平磁感应强度选择30~60mT比较合适。

  同时,随着溅射的进行,靶面刻蚀深度的不断加深,与靶面不同距离的截面水平磁感应强度也不断变化,对电子的约束能力也在发生改变,不同截面上刻蚀形状及溅射速率等也不尽相同。

  1.2、ANSYS磁场模拟

  这里以水平磁感应强度作为研究对象,提出加装两导磁片来改善靶面水平磁感应强度的分布。通过改变导磁片的结构参数,分析靶面水平磁感应强度分布变化规律。

  在传统磁控溅射靶的结构基础中,将两导磁片加装于内外磁轭之间紧贴铜背板下表面的位置,导磁片安装位置如图1所示。

  导磁片采用高磁导率材料,用于调整靶面水平磁感应强度的大小,提高其分布的均匀性。本文基于ANSYS软件主要从导磁片的厚度、导磁片间距及导磁片与磁钢的距离出发分析其对靶面水平磁感应强度及其均匀性的影响。

导磁片安装位置

图1 导磁片安装位置

3、结论

  通过对磁控溅射靶结构的磁场进行ANSYS模拟分析,结果显示,当没加装导磁片时,模拟结果很好的符合实际的靶材刻蚀逆高斯轮廓。在此基础上提出了加装两导磁片的新型磁控溅射靶结构,在保持靶面水平磁感应强度满足溅射要求的条件下,能有效的提高其均匀性。同时解决了加装一块较宽导磁片时出现的导磁片中间区域水平磁感应强度严重下降的问题。通过调节导磁片厚度能有效调节靶面水平磁感应强度的大小;而通过调整导磁片间距及导磁片与内外磁钢的距离能有效地改善靶面水平磁感应强度的均匀性问题。

  综上所述,在加装两导磁片的平面磁控溅射靶结构中,当采用适当的导磁片厚度、导磁片间距及导磁片与内外磁钢的距离时,能有效地改善靶材的水平磁场强度分布,从而大幅提高靶材利用率,使靶材利用率能达到60%。

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