磁控溅射靶的磁路设计
磁控溅射是现代最重要的镀膜方法之一, 具有简单, 控制工艺参数精确和成膜质量好等特点。然而也有靶材利用率低、成膜速率低和离化率低等缺点。研究表明磁场结构对上述问题有重要影响, 本文介绍了一种磁控溅射靶磁路优化设计方案。并对改进的磁场结构和一般的磁场结构进行了分析比较, 并给出了实验结果。
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。
1、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区域的电子密度, 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2 通常磁钢排布形成的刻蚀
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。
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。
2、磁场的优化设计
为了提高靶材的利用率, 几十年来, 已经有了很多优秀的解决方案, 如本文开始提到的一些, 但是大都是通过磁体的机械运动, 使磁场在靶面形成的跑道均匀的扫过靶面, 实现靶面均匀刻蚀。由于存在运动机构, 势必使靶的结构变得复杂。所以通过静态磁钢的合理排列, 而获得理想的磁场分布是最佳的解决方案。在一些文献中提到过几种静态的磁场改进设计, 想通过改变磁钢形状, 如想采用磁钢去角的方法获得优秀的靶面磁场分布。结构形式如图3 所示。
通过数值计算可知, 图3 中的磁力线的形状没有大的变化, 但是靶面磁场的强度却相对减弱, 可见效果并不明显。由于溅射刻蚀主要发生在磁力线近似平行于靶材表面的区域, 所以优化设计的基本方法就是使磁力线尽量多的平行于靶面。以下的改进设计方法就是基于此原理。在本文中采用的是磁路叠加原理。磁钢排列如图4所示。
图3 磁钢去角 图4 改进的磁钢排布
图4 中, 在内外两磁路中加入反向磁场,保证相邻磁钢极性相反。对于通常的磁场形式, 在跑道的中央, 水平磁场强度最大, 从中央向两边水平磁场强度逐渐变小, 通过实际测量, 当到达跑道边缘磁场的水平分量低于200 Gs, 刻蚀现象已经不明显。图4 中, 反向磁场的作用是使跑道中央的水平磁场强度减弱, 同时小磁钢与相邻的大磁钢形成磁路, 结果把跑道边缘的水平场强度增强。从图4 中的磁力线分布情况可以看到反向磁场起到了平滑和宽展靶面磁力线的作用。理想的情况是实现在靶面的磁力线完全平行于靶面。这可以套用数学上的傅立叶级数公式加以说明。
由傅立叶变换可知, 对于矩形波可以由一系列不同频率的正弦波叠加而成。因为最理想的磁场形式是靶面的磁力线完全平行于靶面, 这样靶面的磁场可以看成一段矩形波, 在内外两磁路中插入反向磁场相当于取两项展开。如图5 所示。在图4 中, 大磁钢形成的磁场相当于图5 中的展开式1, 小磁钢之间, 及小磁钢与大磁钢之间形成的磁场相当于图5 中的展开式2, 根据磁路叠加, 最后形成的水平磁场是接近于矩形波的双峰形式。在改进的磁路设计中就是利用这一原理。从图4 和图5 中可以看出, 靶面的磁力线和磁场强度的水平分量更加平滑, 能够有效地增加靶面跑道的宽度, 实现靶面均匀刻蚀。
图5 傅立叶变换
