磁控濺射靶的磁場排布分析
近幾十年來,磁控濺射技術(shù)已經(jīng)成為最重要的沉積鍍膜方法之一。廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域。如在現(xiàn)代機(jī)械加工工業(yè)中,利用磁控濺射技術(shù)在工件表面鍍制功能膜、超硬膜、自潤滑薄膜。在光學(xué)領(lǐng)域, 利用磁控濺射技術(shù)制備增透膜、低輻射膜和透明導(dǎo)膜, 隔熱膜等。在微電子領(lǐng)域和光、磁記錄領(lǐng)域磁控濺射技術(shù)也發(fā)揮著重要作用。然而磁控濺射技術(shù)也有其自身的不足,如靶材利用率低、沉積速率低和離化率低等缺點(diǎn)。其中靶材利用率是由于靶面跑道的存在,使等離子體約束于靶面的局部區(qū)域, 造成靶材的區(qū)域性濺射。跑道的形狀是由靶材后面的磁場結(jié)構(gòu)所決定的。提高靶材利用率的關(guān)鍵是調(diào)整磁場結(jié)構(gòu), 使等離子體存在于更大的靶面范圍, 實(shí)現(xiàn)靶面的均勻?yàn)R射。對于磁控濺射,可以通過增加靶功率的方法實(shí)現(xiàn)濺射產(chǎn)額的提高, 但是由于熱載荷的影響, 靶材可能出現(xiàn)融化和開裂的問題。這些問題可以通過在相同靶材面積的情況下,使
靶面的濺射面積增加,導(dǎo)致靶面的功率密度降低來解決。所以對磁控濺射陰極的磁場設(shè)計(jì)一直以來都在不斷的進(jìn)步。其中比較有代表性的如: 圓形平面磁控濺射源, 通過合理設(shè)計(jì)磁場,使形成的跑道通過靶面中心,利用機(jī)械傳動裝置旋轉(zhuǎn)磁體, 實(shí)現(xiàn)靶面的全面濺射; 矩形平面磁控濺射源, 通過傳動機(jī)構(gòu)使磁體組合在靶材背面做菱形或梅花形運(yùn)動,使整體靶材利用率達(dá)到61%; 通過多磁路的配合調(diào)整, 實(shí)現(xiàn)靶面低壓全面刻蝕。調(diào)整磁場的結(jié)構(gòu)還可以改善膜厚度的均勻性。通過調(diào)整磁場的強(qiáng)弱比例,而發(fā)展的非平衡磁控濺射技術(shù),更是具有離子鍍的功能。所以說磁路設(shè)計(jì)是磁控濺射源中最重要的部分。
磁控濺射靶的磁場排布
在平面磁控濺射靶中, 磁鋼放置于靶材的后面, 穿過靶材表面的磁力線在靶材表面形成磁場。其中平行于靶面的磁場B 和垂直靶表面的電場E,形成平行于靶面的漂移場E×B。漂移場E×B 對電子具有捕集阱的作用, 從而增加了靶面這一域的電子密度, 提高了電子與中性氣體分子的碰撞幾率, 強(qiáng)化了濺射氣體的離化率, 從而增加了濺射速率。對于通常的平面矩形磁控濺射靶, 磁鋼排列如圖1 所示( 相鄰磁鋼極性相反,即NSN或SNS) 。
圖1 磁鋼排布和磁力線分布圖
圖1 中的磁力線分布是通過數(shù)值模擬方法計(jì)算出來的, 可以看出在靶面磁力線近似平行于靶面的范圍很窄。由于在磁控濺射系統(tǒng)中, 靶面的濺射區(qū)域主要集中在磁力線近似平行于靶面的范圍。隨著濺射不斷進(jìn)行, 刻蝕槽的寬度隨著刻蝕深度的增加不斷變窄, 最后形成的刻蝕輪廓如圖2 所示。
圖2 通常磁鋼排布形成的刻蝕
通過面積計(jì)算可知, 上述的磁鋼排列方式,靶材的利用率大約只有20%。可見通常的磁鋼排列方式, 難以獲得高的靶材利用率和沉積速率。
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