磁控濺射靶磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后實(shí)際刻蝕效果與實(shí)驗(yàn)
圖8 所示為使用改進(jìn)的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)形成的靶材的刻蝕輪廓。
在工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中濺射靶采用上述的磁場(chǎng)排布形式,能夠克服在通常磁鋼排列中出現(xiàn)的一些問題。包括:由于靶材的濺射范圍比較窄, 造成靶材的利用率不高。根據(jù)圖2和圖8所示,靶材的利用率將有很大的提高。有些靶材價(jià)格比較昂貴,利用率不高,勢(shì)必造成生產(chǎn)成本增加。由于通常磁鋼排列形式的靶面非均勻?yàn)R射,隨著濺射的不斷進(jìn)行,靶面的刻蝕范圍越來越窄,在濺射功率恒定的情況下,靶材的刻蝕深度會(huì)加速進(jìn)行,靶材的使用壽命大為縮短,在整個(gè)生產(chǎn)周期中,增大了換靶頻率,導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降,從生產(chǎn)工藝考慮,由于靶濺射范圍窄,在靶面非刻蝕區(qū)域容易造成濺射粒子的二次沉積,二次沉積容易形成碎片,脫落后造成膜的污染,這是膜污染的主要來源。在鍍介質(zhì)膜時(shí),反應(yīng)氣體在靶面非濺射區(qū)域容易形成不導(dǎo)電的介質(zhì)膜,在介質(zhì)膜上的電荷積累到一定的成度,形成弧光放電, 造成等離子體的不穩(wěn)定。優(yōu)化磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造的磁控濺射源能夠有效的解決上述問題,無論在金屬模式下,還是在反應(yīng)模式下鍍膜,對(duì)生產(chǎn)效率的提高,都有很大的促進(jìn)作用。
磁控濺射靶磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后實(shí)際刻蝕效果實(shí)驗(yàn)及分析
實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是比較通常磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)濺射源沉積成膜的均勻性。為了對(duì)比說明,兩種結(jié)構(gòu)的濺射靶保持在相同的工藝條件,實(shí)驗(yàn)中本底真空為5×10-3Pa,工作氣體為氬氣,工作真空度為2.3×10-1Pa,真空度和氣體流量分別由真空計(jì)和氣體流量來調(diào)節(jié)和控制。實(shí)驗(yàn)中兩種磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)靶面尺寸都為1200mm×120mm,靶功率為15kW。在實(shí)驗(yàn)中采用晶振儀動(dòng)態(tài)測(cè)量膜的厚度。晶振片距離靶面距離為100 mm,在沉積成膜時(shí),晶振儀探頭從靶面的一端移動(dòng)到另一端。測(cè)量結(jié)果經(jīng)過單位換算如圖9所示。可見改進(jìn)的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)沉積成膜的均勻性要比通常結(jié)構(gòu)的沉積成膜要好。對(duì)于通常磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)鍍制膜的均勻性偏差大致有20%,而改進(jìn)的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)沉積成膜的均勻性偏差大致有10%。沉積成膜的均勻性的提高是由于靶濺射面積的增加所引起的。
圖9 兩種磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)膜的沉積速率
為了了解磁控濺射源的性能,對(duì)兩種磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的濺射源的伏安特性曲線進(jìn)行了測(cè)量。
磁控濺射的伏安特性曲線符合以下經(jīng)驗(yàn)公式:
式中I是靶電流,U為靶電壓,其中n稱為等離子體電子束縛效應(yīng)系數(shù)。n值反映的是跑道磁場(chǎng)對(duì)電子的捕集能力,n值越大,氣體放電的阻抗越低,表明靶面磁場(chǎng)對(duì)電子的束縛越嚴(yán)密,通常無磁場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)二極濺射的n值為1～2,而磁控濺射的n值通常在3～15之間。
實(shí)驗(yàn)中分別測(cè)量靶在2.3×10-1Pa和3.9×10-1Pa真空度下的伏安特性曲線。
圖10 為孿生靶在不同氣壓下的伏安特性曲線。
對(duì)式(2) 兩邊取對(duì)數(shù)
可以得到ln(I)和ln(U)的線性關(guān)系,n為直線的斜率。通過最小二乘法,求出數(shù)據(jù)的一次擬合曲線,可以得出n的值。表1中列出了對(duì)于不同的氣壓下對(duì)應(yīng)的兩種磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的濺射源n值。從表1的結(jié)果可以看出,優(yōu)化的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)于電子的約束能力有所提高。
圖10 不同氣壓下靶的伏安特性曲線
表1 不同真空度下n值
提高靶材的利用率和靶面的均勻?yàn)R射,以及濺射產(chǎn)額一直以來都是磁控濺射源設(shè)計(jì)需要考慮的重要問題,不僅對(duì)磁控濺射系統(tǒng)的穩(wěn)定工作,對(duì)基材成膜質(zhì)量,尤其是膜的均勻性有很大的影響,本文中的磁場(chǎng)設(shè)計(jì),提高了磁力線平行靶面的范圍,對(duì)靶面的均勻?yàn)R射和靶材的利用率與通常的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)相比有很大的提高。
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