直流磁控溅射中磁场强度和阴极电压对圆平面靶刻蚀形貌的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学机械工程与自动化学院 作者:黄英

  本文借助Comsol 和Matlab 软件模拟了直流磁控溅射圆平面靶系统的磁场分布和荷电粒子分布,对不同磁场强度和阴极电压条件下的荷电粒子分布进行了模拟分析,通过比较靶面离子流密度分布曲线发现:当磁场强度增强时,靶面离子流密度分布曲线会变得更加陡窄;当阴极电压变化时,靶面离子流密度分布曲线几乎没有变化。说明靶材的刻蚀形貌会随磁场强度增强而变窄,而阴极电压变化对靶材的刻蚀形貌没有影响。上述结论对直流磁控溅射工艺参数优化具有一定的理论指导意义。

  在各种溅射镀膜技术中,由于磁控溅射技术具有能制备高熔点材料、复合材料薄膜以及沉积速率快、可控性好等优点,应用十分广泛。但是真空技术网(http://www.chvacuum.com/)分析发现磁控溅射也存在一些显著的缺点,如靶表面磁场的不均匀分布导致靶表面不均匀刻蚀,靶材利用率低。圆平面磁控溅射靶是实际应用中一种比较常用的靶,磁场强度和阴极电压是磁控溅射中常用的两个工艺参数。基于此,本文模拟了直流磁控溅射圆平面靶系统的磁场分布和荷电粒子分布,分析了磁场强度和阴极电压大小对靶材刻蚀形貌的影响,从而可以对直流磁控溅射工艺参数优化具有一定的理论指导意义。

1、圆平面靶系统的磁场模拟

  圆平面磁控溅射靶的磁体排布的特殊结构导致其磁场和荷电粒子呈轴对称分布,因此可以采用二维轴对称模型进行模拟计算。

  首先,在Comsol 中建立圆平面磁控溅射靶的二维轴对称模型,如图1 所示。对铜背板、压盖等进行了简化处理,图中部件从上到下依次为靶材、内外磁钢和磁轭。各部件具体尺寸和材料参数见表1。

  然后对材料定义物理参数,接着给定边界条件,内边界设置成连续,外边界设置成零磁场边界,对称轴设置成轴对称边界。之后划分网格,以三角形网格划分,如图2 所示。

圆平面靶系统的磁场模拟

图1 圆平面靶的简化几何模型  图2 网格划分图

表1 圆平面靶模型中各部件的尺寸和参数

 圆平面靶模型中各部件的尺寸和参数

  画好网格后,进行求解,就可以获得磁通密度的分布云图、矢量图和磁力线分布图,如图3、图4、图5 和图6。可以发现,磁体在靶表面也产生了拱形磁场,它将约束电子的运动,使等离子体分布不均匀。

图3 磁通密度Br 分量云图  图4 磁通密度Bz 分量云图

图3 磁通密度Br 分量云图  图4 磁通密度Bz 分量云图

  为了进行后续的荷电粒子分布模拟,必须得到包含具体磁场数据的文件,从Comsol 中可以单独导出磁通密度Br 和Bz 的数据,再经过Matlab的处理就可以得到所需的磁场文件。

图5 磁通密度Bzr 矢量图  图6 磁力线分布图

图5 磁通密度Bzr 矢量图  图6 磁力线分布图

2、圆平面靶系统的荷电粒子分布模拟

  本圆平面靶系统荷电粒子分布的模拟区域也是靶面到基片之间的区域,如图7 所示。模拟区域为50 mm×60 mm 的矩形区域,左边界为半径为50 mm 的靶材,右边界为基片,靶基距为60 mm。

放电模拟区域示意图

图7 放电模拟区域示意图

  模拟区域划分为250×300 个网格,将之前得到的磁场文件导入并分配给网格节点,磁场在模拟区域的分布如图8 和图9。

图8 磁通密度Br 的分布  图9 磁通密度Bz 的分布

图8 磁通密度Br 的分布  图9 磁通密度Bz 的分布

  模拟采用电压驱动模式,在阴极靶材上加- 500 V 的直流电压,基片电压设置为0 V,中性气体设置为氩气,气压0.005 Torr,氩离子轰击靶材表面产生的二次电子发射系数γ 为0.1,起始时刻模拟区域的电子和氩离子设置成均匀分布,模拟中一个点代表一个超粒子,一个超粒子代表1×107 个电子或离子。电子时间步长为1×10- 10 s,离子时间步长是电子的10 倍。对于电子与氩原子的碰撞,考虑它们之间的弹性碰撞、电离碰撞以及激发碰撞,对于氩离子与氩原子的碰撞,考虑它们之间的弹性碰撞以及电荷转移碰撞。

  通过模拟计算,可以得到圆平面靶表面附近放电区域的荷电粒子空间分布图。

图10 电子的空间分布  图11 氩离子的空间分布

图10 电子的空间分布  图11 氩离子的空间分布

  图中可以明显看出,由于拱形磁场的存在,电子被约束在一定区域内,而且越靠近靶面约束越强,氩离子分布与电子分布相似。同样,还能得到靶面在半径方向上的粒子流密度sf(r)分布曲线,如图12 所示。

直流磁控溅射中磁场强度和阴极电压对圆平面靶刻蚀形貌的影响

图12 靶面粒子流密度分布曲线  图13 矫顽力为200kA/m 时电子的空间分布  图14 矫顽力为200kA/m 时氩离子的空间分布  图15 矫顽力为200kA/m 时靶面粒子流密度分布曲线

  图中下方的曲线表示电子流密度分布,上方曲线表示离子流密度分布。图中离子流密度分布曲线出现一个波峰,波峰所对应位置靶材刻蚀最严重,这与常见的圆平面靶刻蚀形貌相符。

3、磁场强度和阴极电压对靶材刻蚀形貌的影响

  本文基于前述圆平面靶系统模型,分别改变磁钢的矫顽力大小和阴极电压大小,然后进行模拟计算,之后比较靶面离子流密度分布曲线的变化,从而在一定程度上分析磁场强度和阴极电压对刻蚀形貌的影响。

3.1、磁场强度对靶材刻蚀形貌的影响

  当其它参数不变时,将磁钢矫顽力大小变为200 kA/m,经过模拟计算,得到的荷电粒子分布图和靶面粒子流密度分布曲线如图13、图14 和图15 所示。

  当其它参数不变时,将磁钢矫顽力大小变为400 kA/m,经过模拟计算,得到的荷电粒子分布图和靶面粒子流密度分布曲线如图16、图17 和图18 所示。

直流磁控溅射中磁场强度和阴极电压对圆平面靶刻蚀形貌的影响

图16 矫顽力为400kA/m 时电子的空间分布  图17 矫顽力为400kA/m 时氩离子的空间分布  图18 矫顽力为400kA/m 时靶面粒子流密度分布曲线  图19 靶面离子流密度分布曲线对比图

  将不同磁场强度条件下的靶面离子流密度sF(r)分布曲线提取出来,放在同一幅图中进行比较,如图19 所示。

  从图中可以看出,随着磁钢矫顽力的变大(磁场强度增强),靶面离子流密度分布曲线变得更加陡窄,这在一定程度上说明靶材的刻蚀形貌会随磁场强度增强而变窄,靶材利用率会降低。

3.2、阴极电压对靶材刻蚀形貌的影响

  当其它参数不变时,将阴极电压大小变为400 V,经过模拟计算,得到的荷电粒子分布图和靶面粒子流密度分布曲线如图20、图21 和图22所示。当其它参数不变时,将阴极电压大小变为600 V,经过模拟计算,得到的荷电粒子分布图和靶面粒子流密度分布曲线如图23、图24 和图25所示。

直流磁控溅射中磁场强度和阴极电压对圆平面靶刻蚀形貌的影响

图20 阴极电压为400V 时电子的空间分布  图21 阴极电压为400V 时氩离子的空间分布  图22 阴极电压为400V 时靶面粒子流密度分布曲线  图23 阴极电压为600V 时电子的空间分布  图24 阴极电压为600V 时氩离子的空间分布  图25 阴极电压为600V 时靶面粒子流密度分布曲线

  将不同阴极电压条件下的靶面离子流密度分布曲线提取出来,放在同一幅图中进行比较,如图26 所示。

  从图中可以看出,当阴极电压变化时,靶面离子流密度分布sF(r)曲线几乎没有变化,这在一定程度上说明阴极电压变化对靶材的刻蚀形貌没有影响。

靶面离子流密度分布曲线对比图

图26 靶面离子流密度分布曲线对比图

4、结论

  本文首先对圆平面靶系统的磁场分布和荷电粒子分布进行了二维轴对称模拟,得到了磁场分布数据以及荷电粒子分布图和靶面粒子流密度分布曲线。然后基于该圆平面靶系统模型,模拟并分析磁场强度和阴极电压对靶材刻蚀形貌的影响,得到以下结论:(1)靶材的刻蚀形貌会随磁场强度增强而变窄,靶材利用率会降低;(2)阴极电压变化不会影响靶材的刻蚀形貌。

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