2011年03月01日http://www.bb.ustc.edu.cn/jpkc/guojia/dxwlsy/kj/pa rt1/list.html磁控濺射矩形靶磁場的優(yōu)化設(shè)計石中兵，童洪輝，趙喜學(核工業(yè)西南物理研究院，四川成都 610041)摘要:磁控濺射靶材的哄騙率在降低生產(chǎn)資本中起著意要作用 。正交的靶電磁場能顯著地延伸電子的運動路程，增長同事情氣體分子的碰撞概率，提高等離子體密度，使磁控濺射速率數(shù)量級的提高，因此靶面正交電磁場的分布將決定靶的燒蝕情況 。提出了2種改善矩形平面靶磁場分布的方法，經(jīng)過度析，這2種設(shè)計將拓寬靶面的刻蝕范圍，提高靶材的哄騙率 。要害詞:等離子體;磁控濺射;矩形靶;優(yōu)化設(shè)計;刻蝕中圖分類號:TN305.92; O532+. 11文獻標識碼:A文章編號: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年磁控濺射技術(shù)及其裝置出現(xiàn)以來，它以其“高速”及“低溫”兩大特點使薄膜制備工藝發(fā)生了深刻的變化 。目前，磁控濺射鍍膜已經(jīng)成為工業(yè)鍍膜生產(chǎn)中最主要的技術(shù)之一 。它具備濺射速率以及淤積速率高、淤積溫度低、薄膜質(zhì)量好等特點，特別合適于大面積鍍膜 。但是，靶面的非均勻燒蝕會降低靶材的哄騙率，造成濺射歷程中參數(shù)的變化，甚至造成起弧或者跑弧，緊張影響濺射歷程的穩(wěn)定性 。影響燒蝕的因素是多方面的，如磁控濺射靶的電磁場分布、靶的布局、濺射電源的電氣特性以及工藝參數(shù)等 。雖然通過改善電源設(shè)計以及調(diào)解工藝能在絕對是程度上起到穩(wěn)定濺射的作用，但從根本上來說還是要對濺射體系進行群體的優(yōu)化設(shè)計，此中靶的設(shè)計最為要害，而靶面附近磁場的分布又是要害中的要害 。為了提高靶材的哄騙率，國內(nèi)外很多研究事情者提出了大量革新靶磁場分布的方法[1~3] 。本文作者建立了磁場線圈的模擬模型，哄騙計較機模擬了不同線圈組合下磁場的分布，發(fā)現(xiàn)適當?shù)木€圈組合能較好地控制磁場的方向;同時還提出了平面靶運動磁場的設(shè)計思惟，將使平面靶的燒蝕得到改善，哄騙率得到提高這2種方法，目前還沒有具體的報道，值得關(guān)注 。收稿日子:2004-04-05.作者簡介:石中兵(1975-)，男，重慶市人，碩士學位生，從事等離子體診斷以及應(yīng)用技術(shù)方面的研究 。2 平面靶電磁場對運動電子的約束機理從陰極發(fā)射的電子沿著電場方向進入電磁場，其運動方程為dvdt=em(E+v×B) (1式中 v為電子運動的速度;E為電場; B為磁場強度; e以及m分別為電子的電量以及質(zhì)量 。由式⑴可見電子將沿著磁力線作螺旋線運動 。當靶面處的電場以及磁場彼此垂直，即磁力線平行于靶面時，電子在靶面附近將作更長的運動路程，這樣將增長電子同事情氣體(Ar)分子的碰撞概率，提高電子的電離效率以及等離子體的密度，致使磁控濺射速率數(shù)量級的提高 。由于電子每經(jīng)過一次碰撞就要損失一部門能量，所以經(jīng)屢次碰撞后，電子喪失了大部門能量，進入離陰極靶面較遠的弱場區(qū)，最后在電場力的作用下，到達陽極時已經(jīng)是能量消耗殆盡的低能電子;另一方面，輝光放電孕育發(fā)生的高密度等離子體被磁場束縛在靶面附近，這樣輝光放電孕育發(fā)生的正離子就能十分有用地轟擊靶面，而基片可免受高密度等離子體的影響，淤積在基片上的是能量不高的原子，因此基片溫度升高半大 。磁控濺射的基來源根底理就是以磁場改變電子的運動方向，束縛以及延伸電子的運動軌跡，從而提高電子對事情氣體的電離概率以及有用地哄騙電子的能量 。在形成高密度等離子體的異常輝光放電中，正離子對靶材轟擊所引起的靶材濺射更有用，同時受正交電磁場束縛的電子只能在能量將次消耗盡時才能淤積在基片上 。因此磁控濺射的溫升較低，濺射速率較高[3~5] 。3 磁場線圈的設(shè)計3.1 磁場分布模擬模型通過對單組線圈的布局進行分析，可以將線圈近似為2個半圓形與2條方向相反的平行導線電流孕育發(fā)生的磁場的疊加，在分析靶面附近磁場時可以作如下的簡化:①對于長形靶，長是寬的好幾倍，在分析靶面附近磁場時可以近似地紕漏線圈的2個半圓段的影響;②為了簡化計較，只分析電流的平行段線圈的中垂面③由于靶面附近的磁場對等離子體放電具備最重要的作用，對中垂面上的磁場，還可進一步近似為2組無限長的平行直導線電流的孕育發(fā)生 。由畢奧-薩伐爾定律:任一電流元Idl在空間任一點兒P處所孕育發(fā)生的磁感應(yīng)強度dB為下列向量叉乘積dB=μ04πIdl×rr3(2式中 μ0為真空室導磁率 。由式(2)知空間中任一點兒的磁場B為空間電流元在此點孕育發(fā)生的磁場的疊加 。對無限長直導線，在距導線距離為r之處，磁感應(yīng)強度為圖1 兩長直導線在90度角坐標系中的示意圖B=μ04πIr(3以兩長直平行導線的垂直面為坐標，建立坐標系，見圖1所示 。P(x，y)點的磁場強度可以看作是兩長直導線孕育發(fā)生的磁場的疊加 。由式⑶，經(jīng)過坐標平移，設(shè)(x0，y0)處的電流方向為垂直坐標面向內(nèi)，(-x0，y0)處的電流方向為垂直坐標面向外，則平面內(nèi)任一點兒P(x，y)的磁場為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，在對給定的(x0，y0)，兩電流方向相反的平行導線，其電流在平面中任一點兒的磁場強度大小B=Bx2+By2與磁感應(yīng)強度方向tgθ=ByBx就能夠由式⑷、式(5)求得 。同時對不同組合的線圈也能夠通過113 第2期 石中兵等:磁控濺射矩形靶磁場的優(yōu)化設(shè)計疊加求得，最后根據(jù)計較得到的各點的值可以畫出其磁力線分布(上面只對特殊的情況作了分析，其原理很簡單，讀者若有樂趣可以自己推導) 。3.2 計較機模擬不同匝數(shù)以及不同位置的線圈組合將孕育發(fā)生不同的磁場分布，這里為了輕便，只給出了2組線圈的復合情況，如圖2所示 。選擇離靶面距離為0.5 cm處進行計較 。為了對比，同時給出了單組線圈的磁場分布，實線為2個復合線圈構(gòu)成的程度方向磁場分布，虛線為1個線圈程度方向磁場分布 。很較著適當配比組合的復圖2 與靶面距離為0.5 cm的平面內(nèi)平行靶面的磁場分布意見計較值(電流I=1 A)合線圈得到的磁場分布優(yōu)于1組線圈的磁場分布 。由磁控濺射放電分析可知，與靶面平行的磁力線對于靶面燒蝕起主要作用 。根據(jù)前面計較的磁場強度值，可以畫出磁力線的方向 。圖3以及圖4分別為1個線圈以及復合線圈在靶面上方的磁力線模擬圖 。在圖3中所示的平行于靶面的磁場僅限于在|x|=(5±1)cm處的小范圍內(nèi)，約占靶面面積的20%;而圖4中平行磁場范圍為|x|=1~9 cm，占靶面積的80%左右，因此其在放電時靶面刻蝕的范圍也較寬 。所以對于平面磁控靶，根據(jù)靶面磁場的具體要求，通過上述計較，可以找到最佳的磁場強度分布[6] 。3.3 靶的磁場線圈布局圖5為線圈磁控靶的布局示意圖 。靶由多個線圈內(nèi)套、外加磁屏蔽環(huán)而構(gòu)成 。在靶的邊緣處加屏蔽環(huán)是為了把跨越靶面的程度磁場分量拉歸來使其不克不及燒蝕到屏蔽罩以及真空室壁上;在最內(nèi)層線圈中加高磁導率(μ)鐵芯是為了增強磁場，減少中心線圈的匝數(shù)[7] 。線圈的配比情況是根據(jù)計較機模擬得到的最佳組合來繞組，如可以選擇2組或者3組以上來配比線圈的匝數(shù)以及位置形狀由靶的尺寸以及其附近所要求的磁場強度來決定 。這里給出的是在空氣中的計較公式，而且也作了不少的簡化，同時還加了屏蔽環(huán)以及鐵芯，實際磁場分布與計較情況將有差異，但群體的變化趨勢相似，設(shè)計時可由測量情況做出相應(yīng)的調(diào)解 。根據(jù)前面的計較，發(fā)現(xiàn)線圈的設(shè)置規(guī)律為最中間一圈(圖中的①)以及最邊上一圈(圖5中的④)匝數(shù)最多，而嵌套在中間部門的匝數(shù)較少 。114真空與低溫 第10卷4 運動磁場設(shè)計4.1 運動磁場的靶布局平凡的磁場布局及其刻蝕的跑道如圖6所示 。由于磁場布局未作特殊措置懲罰，其刻蝕面為一條很窄的跑道，所以哄騙率非常低 。如果加之運動部件，將靶反面的磁鋼沿著靶面來回運動，由磁體孕育發(fā)生的磁場也將在圖5 磁控靶的布局示意圖(數(shù)字①、②、③、④表示線圈組截面的位置)圖6 平凡矩形磁控靶的布局示意圖及其刻蝕效驗靶面來回運動，從而使整個靶面都能被刻蝕，其布局示意圖見圖7所示 。將整個磁鋼都放置在水冷體中，雙圖7 矩形靶運動磁場的布局示意圖向電機帶動磁鋼在靶反面程度來回運動，使其孕育發(fā)生的平行磁場也在靶面來回運動，從而使靶的刻蝕變?yōu)橐粋€動態(tài)歷程 。靶面刻蝕將比較均勻 。4.2 靶面刻蝕分析如圖7所示，設(shè)靶的寬度為L;磁鋼的寬度為X;電場與磁場正交處沿靶面方向上的距離為L0由磁控濺射的原理可知，靶面刻蝕最厲害的地區(qū)范圍在電場與磁場正交處，當電機帶動磁鋼在做來回運動時，實在質(zhì)上是使這2個正交地區(qū)范圍在靶面上來回運動，靶面某處的刻蝕將與平行磁場在此處停留的時間直接相干 。通過對其路徑的分析，發(fā)現(xiàn)靶面將有不同的刻蝕效驗，其結(jié)果見圖8所示 。圖8(a)為L<2L圖8 不同情況下運動磁場靶面刻蝕的示意圖L0為2個輝光放電等離子體區(qū)中心的距離，L為靶的寬度時的靶面刻蝕效驗; (b)為L>2L0時的靶面刻蝕效驗 。同時還給出了靜止磁鋼的靶面刻蝕情況 。經(jīng)比較當L>2L0時，靶面刻蝕的效驗較好，哄騙率較高 。115 第2期 石中兵等:磁控濺射矩形靶磁場的優(yōu)化設(shè)計5 結(jié)論磁控濺射靶面附近的電磁場分布對靶刻蝕起著意要作用，作者提出的2種方法此中心思惟是從靜態(tài)以及動態(tài)上拓寬與靶面平行的磁場范圍 。經(jīng)分析這2種方法有用地改善了靶的電磁場分布，提高靶材的哄騙率但是，靶的設(shè)計涉及了多方面的綜合因素，除了電磁場分布對濺射孕育發(fā)生緊張影響外，其他的因素，如電氣體系的布局及特性、電磁屏蔽以及工藝參數(shù)等都會對濺射孕育發(fā)生影響 。所以在靶設(shè)計時，這些個因素都得思量進去，針對每種情況做出適當?shù)恼{(diào)解 。參考文獻:[ 1 ] 姜燮昌.大面積反應(yīng)濺射技術(shù)的最新進展及應(yīng)用[J].真空，2002，⑶;1~9.[ 2 ] 劉翔宇，趙來，許生，等.磁控濺射鍍膜設(shè)備中靶的優(yōu)化設(shè)計[J].真空，2002，⑶;16~22.[ 3 ] 李云奇.真空鍍膜技術(shù)與設(shè)備[M].沈陽:東北工學院出版社，1989.[ 4 ] 曲敬信，汪泓宏.表面工程手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社，1998.[ 5 ] 王力衡，黃運添，鄭海濤.薄膜技術(shù)[M].北京:清華大學出版社，1991.[ 6 ] 李泉鳳.電磁場數(shù)值計較與電磁鐵設(shè)計[M].北京:清華大學出版社，2002.[ 7 ] 梁燦彬，秦光戎，梁竹健.電磁學[M].北京:高等教育出版社，1989.《真空與低溫》定期刊物學術(shù)論文越獄第4季·分集在線寓目http://www.yueyudisiji.com.cn/play5.html

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