磁控溅射矩形靶磁场的优化设计

2011年03月01日http://www.bb.ustc.edu.cn/jpkc/guojia/dxwlsy/kj/pa rt1/list.html磁控溅射矩形靶磁场的优化设计石中兵，童洪辉，赵喜学(核工业西南物理研究院，四川成都 610041)摘要:磁控溅射靶材的哄骗率在降低生产资本中起着意要作用。正交的靶电磁场能显著地延伸电子的运动路程，增长同事情气体分子的碰撞概率，提高等离子体密度，使磁控溅射速率数量级的提高，因此靶面正交电磁场的分布将决定靶的烧蚀情况。提出了2种改善矩形平面靶磁场分布的方法，经过度析，这2种设计将拓宽靶面的刻蚀范围，提高靶材的哄骗率。要害词:等离子体;磁控溅射;矩形靶;优化设计;刻蚀中图分类号:TN305.92; O532+. 11文献标识码:A文章编号:1006-7086(2004)02-0112-05THE OPTIMIZING DESIGN OF RECTANGULAR TARGET IN MAGNETRON SPUTTERINGSHI Zhong-bing，TONG Hong-hui，ZHAO Jia-xue(Southwestern Institute of Physics，Chengdu 610041，China)Abstract:It is very important to reduce the costs by improving the utilization ratio of the target in the magnetronsputtering deposition process. The range of movement for electrons can be extended in the orthogonal electromagneticfiled. It can improve the probability of collision between electron and working gas (argon) molecule and plasma density.Then the sputtering rate greatly increases. The etching areas are mainly related to the distribution of the orthogonal elec-tromagnetic filed near the target surface. Two kinds of models to optimize the distribution of the electromagnetic filed nearthe rectangular target are suggested. The areas of the etching on the target and the utilization ratio of the target are im-proved by analysis of the two methods.Key words:plasma; magnetron sputtering; rectangular target; optimizing design; etching1 引言自1970年磁控溅射技术及其装置出现以来，它以其“高速”及“低温”两大特点使薄膜制备工艺发生了深刻的变化。目前，磁控溅射镀膜已经成为工业镀膜生产中最主要的技术之一。它具备溅射速率以及淤积速率高、淤积温度低、薄膜质量好等特点，特别合适于大面积镀膜。但是，靶面的非均匀烧蚀会降低靶材的哄骗率，造成溅射历程中参数的变化，甚至造成起弧或者跑弧，紧张影响溅射历程的稳定性。影响烧蚀的因素是多方面的，如磁控溅射靶的电磁场分布、靶的布局、溅射电源的电气特性以及工艺参数等。虽然通过改善电源设计以及调解工艺能在绝对是程度上起到稳定溅射的作用，但从根本上来说还是要对溅射体系进行群体的优化设计，此中靶的设计最为要害，而靶面附近磁场的分布又是要害中的要害。为了提高靶材的哄骗率，国内外很多研究事情者提出了大量革新靶磁场分布的方法[1~3] 。本文作者建立了磁场线圈的模拟模型，哄骗计较机模拟了不同线圈组合下磁场的分布，发现适当的线圈组合能较好地控制磁场的方向;同时还提出了平面靶运动磁场的设计思惟，将使平面靶的烧蚀得到改善，哄骗率得到提高这2种方法，目前还没有具体的报道，值得关注。收稿日子:2004-04-05.作者简介:石中兵(1975-)，男，重庆市人，硕士学位生，从事等离子体诊断以及应用技术方面的研究。2 平面靶电磁场对运动电子的约束机理从阴极发射的电子沿着电场方向进入电磁场，其运动方程为dvdt=em(E+v×B) (1式中 v为电子运动的速度;E为电场; B为磁场强度; e以及m分别为电子的电量以及质量。由式⑴可见电子将沿着磁力线作螺旋线运动。当靶面处的电场以及磁场彼此垂直，即磁力线平行于靶面时，电子在靶面附近将作更长的运动路程，这样将增长电子同事情气体(Ar)分子的碰撞概率，提高电子的电离效率以及等离子体的密度，致使磁控溅射速率数量级的提高。由于电子每经过一次碰撞就要损失一部门能量，所以经屡次碰撞后，电子丧失了大部门能量，进入离阴极靶面较远的弱场区，最后在电场力的作用下，到达阳极时已经是能量消耗殆尽的低能电子;另一方面，辉光放电孕育发生的高密度等离子体被磁场束缚在靶面附近，这样辉光放电孕育发生的正离子就能十分有用地轰击靶面，而基片可免受高密度等离子体的影响，淤积在基片上的是能量不高的原子，因此基片温度升高半大。磁控溅射的基来源根底理就是以磁场改变电子的运动方向，束缚以及延伸电子的运动轨迹，从而提高电子对事情气体的电离概率以及有用地哄骗电子的能量。在形成高密度等离子体的异常辉光放电中，正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更有用，同时受正交电磁场束缚的电子只能在能量将次消耗尽时才能淤积在基片上。因此磁控溅射的温升较低，溅射速率较高[3~5] 。3 磁场线圈的设计3.1 磁场分布模拟模型通过对单组线圈的布局进行分析，可以将线圈近似为2个半圆形与2条方向相反的平行导线电流孕育发生的磁场的叠加，在分析靶面附近磁场时可以作如下的简化:①对于长形靶，长是宽的好几倍，在分析靶面附近磁场时可以近似地纰漏线圈的2个半圆段的影响;②为了简化计较，只分析电流的平行段线圈的中垂面③由于靶面附近的磁场对等离子体放电具备最重要的作用，对中垂面上的磁场，还可进一步近似为2组无限长的平行直导线电流的孕育发生。由毕奥-萨伐尔定律:任一电流元Idl在空间任一点儿P处所孕育发生的磁感应强度dB为下列向量叉乘积dB=μ04πIdl×rr3(2式中 μ0为真空室导磁率。由式(2)知空间中任一点儿的磁场B为空间电流元在此点孕育发生的磁场的叠加。对无限长直导线，在距导线距离为r之处，磁感应强度为图1 两长直导线在90度角坐标系中的示意图B=μ04πIr(3以两长直平行导线的垂直面为坐标，建立坐标系，见图1所示。P(x，y)点的磁场强度可以看作是两长直导线孕育发生的磁场的叠加。由式⑶，经过坐标平移，设(x0，y0)处的电流方向为垂直坐标面向内，(-x0，y0)处的电流方向为垂直坐标面向外，则平面内任一点儿P(x，y)的磁场为Bx=μ04πI(y-y0)×1(x-x0)2+(y-y0)2-1(x+x0)2+(y-y0)2(4By=μ04πIx-x0(x-x0)2+(y-y0)2-x+x0(x+x0)2+(y-y0)2(5所以，在对给定的(x0，y0)，两电流方向相反的平行导线，其电流在平面中任一点儿的磁场强度大小B=Bx2+By2与磁感应强度方向tgθ=ByBx就能够由式⑷、式(5)求得。同时对不同组合的线圈也能够通过113 第2期石中兵等:磁控溅射矩形靶磁场的优化设计叠加求得，最后根据计较得到的各点的值可以画出其磁力线分布(上面只对特殊的情况作了分析，其原理很简单，读者若有乐趣可以自己推导) 。3.2 计较机模拟不同匝数以及不同位置的线圈组合将孕育发生不同的磁场分布，这里为了轻便，只给出了2组线圈的复合情况，如图2所示。选择离靶面距离为0.5 cm处进行计较。为了对比，同时给出了单组线圈的磁场分布，实线为2个复合线圈构成的程度方向磁场分布，虚线为1个线圈程度方向磁场分布。很较着适当配比组合的复图2 与靶面距离为0.5 cm的平面内平行靶面的磁场分布意见计较值(电流I=1 A)合线圈得到的磁场分布优于1组线圈的磁场分布。由磁控溅射放电分析可知，与靶面平行的磁力线对于靶面烧蚀起主要作用。根据前面计较的磁场强度值，可以画出磁力线的方向。图3以及图4分别为1个线圈以及复合线圈在靶面上方的磁力线模拟图。在图3中所示的平行于靶面的磁场仅限于在|x|=(5±1)cm处的小范围内，约占靶面面积的20%;而图4中平行磁场范围为|x|=1~9 cm，占靶面积的80%左右，因此其在放电时靶面刻蚀的范围也较宽。所以对于平面磁控靶，根据靶面磁场的具体要求，通过上述计较，可以找到最佳的磁场强度分布[6] 。3.3 靶的磁场线圈布局图5为线圈磁控靶的布局示意图。靶由多个线圈内套、外加磁屏蔽环而构成。在靶的边缘处加屏蔽环是为了把跨越靶面的程度磁场分量拉归来使其不克不及烧蚀到屏蔽罩以及真空室壁上;在最内层线圈中加高磁导率(μ)铁芯是为了增强磁场，减少中心线圈的匝数[7] 。线圈的配比情况是根据计较机模拟得到的最佳组合来绕组，如可以选择2组或者3组以上来配比线圈的匝数以及位置形状由靶的尺寸以及其附近所要求的磁场强度来决定。这里给出的是在空气中的计较公式，而且也作了不少的简化，同时还加了屏蔽环以及铁芯，实际磁场分布与计较情况将有差异，但群体的变化趋势相似，设计时可由测量情况做出相应的调解。根据前面的计较，发现线圈的设置规律为最中间一圈(图中的①)以及最边上一圈(图5中的④)匝数最多，而嵌套在中间部门的匝数较少。114真空与低温第10卷4 运动磁场设计4.1 运动磁场的靶布局平凡的磁场布局及其刻蚀的跑道如图6所示。由于磁场布局未作特殊措置惩罚，其刻蚀面为一条很窄的跑道，所以哄骗率非常低。如果加之运动部件，将靶反面的磁钢沿着靶面来回运动，由磁体孕育发生的磁场也将在图5 磁控靶的布局示意图(数字①、②、③、④表示线圈组截面的位置)图6 平凡矩形磁控靶的布局示意图及其刻蚀效验靶面来回运动，从而使整个靶面都能被刻蚀，其布局示意图见图7所示。将整个磁钢都放置在水冷体中，双图7 矩形靶运动磁场的布局示意图向电机带动磁钢在靶反面程度来回运动，使其孕育发生的平行磁场也在靶面来回运动，从而使靶的刻蚀变为一个动态历程。靶面刻蚀将比较均匀。4.2 靶面刻蚀分析如图7所示，设靶的宽度为L;磁钢的宽度为X;电场与磁场正交处沿靶面方向上的距离为L0由磁控溅射的原理可知，靶面刻蚀最厉害的地区范围在电场与磁场正交处，当电机带动磁钢在做来回运动时，实在质上是使这2个正交地区范围在靶面上来回运动，靶面某处的刻蚀将与平行磁场在此处停留的时间直接相干。通过对其路径的分析，发现靶面将有不同的刻蚀效验，其结果见图8所示。图8(a)为L<2L图8 不同情况下运动磁场靶面刻蚀的示意图L0为2个辉光放电等离子体区中心的距离，L为靶的宽度时的靶面刻蚀效验; (b)为L>2L0时的靶面刻蚀效验。同时还给出了静止磁钢的靶面刻蚀情况。经比较当L>2L0时，靶面刻蚀的效验较好，哄骗率较高。115 第2期石中兵等:磁控溅射矩形靶磁场的优化设计5 结论磁控溅射靶面附近的电磁场分布对靶刻蚀起着意要作用，作者提出的2种方法此中心思惟是从静态以及动态上拓宽与靶面平行的磁场范围。经分析这2种方法有用地改善了靶的电磁场分布，提高靶材的哄骗率但是，靶的设计涉及了多方面的综合因素，除了电磁场分布对溅射孕育发生紧张影响外，其他的因素，如电气体系的布局及特性、电磁屏蔽以及工艺参数等都会对溅射孕育发生影响。所以在靶设计时，这些个因素都得思量进去，针对每种情况做出适当的调解。参考文献:[ 1 ] 姜燮昌.大面积反应溅射技术的最新进展及应用[J].真空，2002，⑶;1~9.[ 2 ] 刘翔宇，赵来，许生，等.磁控溅射镀膜设备中靶的优化设计[J].真空，2002，⑶;16~22.[ 3 ] 李云奇.真空镀膜技术与设备[M].沈阳:东北工学院出版社，1989.[ 4 ] 曲敬信，汪泓宏.表面工程手册[M].北京:化学工业出版社，1998.[ 5 ] 王力衡，黄运添，郑海涛.薄膜技术[M].北京:清华大学出版社，1991.[ 6 ] 李泉凤.电磁场数值计较与电磁铁设计[M].北京:清华大学出版社，2002.[ 7 ] 梁灿彬，秦光戎，梁竹健.电磁学[M].北京:高等教育出版社，1989.《真空与低温》定期刊物学术论文越狱第4季·分集在线寓目http://www.yueyudisiji.com.cn/play5.html

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