磁控溅射靶的磁场排布分析

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1、磁控溅射靶的磁场排布分析时间:2009-02-19　　来源:核工业西南物理研究院　　编辑: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

2、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

3、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

4、如图1所示(相邻磁钢极性相反,即NSN或SNS)。 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。 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。