磁控濺射是現(xiàn)代最重要的鍍膜方法之一, 具有簡(jiǎn)單, 控制工藝參數(shù)精確和成膜質(zhì)量好等特點(diǎn)。然而也有靶材利用率低、成膜速率低和離化率低等缺點(diǎn)。研究表明磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)上述問(wèn)題有重要影響, 本文介紹了一種磁控濺射靶磁路優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。并對(duì)改進(jìn)的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和一般的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析比較, 并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　近幾十年來(lái), 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(rùn)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)于磁控濺射, 可以通過(guò)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(kāi)裂的問(wèn)題。

　　這些問(wèn)題可以通過(guò)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(lái)解決。所以對(duì)磁控濺射陰極的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)一直以來(lái)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(guò)合理設(shè)計(jì)磁場(chǎng), 使形成的跑道通過(guò)靶面中心, 利用機(jī)械傳動(dòng)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(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使磁體組合在靶材背面做菱形或梅花形運(yùn)動(dòng), 使整體靶材利用率達(dá)到61%; 通過(guò)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(chǎng)的結(jié)構(gòu)還可以改善膜厚度的均勻性。通過(guò)調(diào)整磁場(chǎng)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(shuō)磁路設(shè)計(jì)是磁控濺射源中最重要的部分。

1、磁控濺射靶的磁場(chǎng)排布

　　在平面磁控濺射靶中, 磁鋼放置于靶材的后面, 穿過(guò)靶材表面的磁力線(xiàn)在靶材表面形成磁場(chǎng)。其中平行于靶面的磁場(chǎng)B 和垂直靶表面的電場(chǎng)E , 形成平行于靶面的漂移場(chǎng)E×B。漂移場(chǎng)E×B 對(duì)電子具有捕集阱的作用, 從而增加了靶面這一區(qū)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(duì)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(xiàn)分布　　圖2 通常磁鋼排布形成的刻蝕

　　圖1 中的磁力線(xiàn)分布是通過(guò)數(shù)值模擬方法計(jì)算出來(lái)的, 可以看出在靶面磁力線(xiàn)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(xiàn)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。

　　通過(guò)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(jiàn)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。

2、磁場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　為了提高靶材的利用率, 幾十年來(lái), 已經(jīng)有了很多優(yōu)秀的解決方案, 如本文開(kāi)始提到的一些, 但是大都是通過(guò)磁體的機(jī)械運(yùn)動(dòng), 使磁場(chǎng)在靶面形成的跑道均勻的掃過(guò)靶面, 實(shí)現(xiàn)靶面均勻刻蝕。由于存在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu), 勢(shì)必使靶的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。所以通過(guò)靜態(tài)磁鋼的合理排列, 而獲得理想的磁場(chǎng)分布是最佳的解決方案。在一些文獻(xiàn)中提到過(guò)幾種靜態(tài)的磁場(chǎng)改進(jìn)設(shè)計(jì), 想通過(guò)改變磁鋼形狀, 如想采用磁鋼去角的方法獲得優(yōu)秀的靶面磁場(chǎng)分布。結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示。

　　通過(guò)數(shù)值計(jì)算可知, 圖3 中的磁力線(xiàn)的形狀沒(méi)有大的變化, 但是靶面磁場(chǎng)的強(qiáng)度卻相對(duì)減弱, 可見(jiàn)效果并不明顯。由于濺射刻蝕主要發(fā)生在磁力線(xiàn)近似平行于靶材表面的區(qū)域, 所以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的基本方法就是使磁力線(xiàn)盡量多的平行于靶面。以下的改進(jìn)設(shè)計(jì)方法就是基于此原理。在本文中采用的是磁路疊加原理。磁鋼排列如圖4所示。

圖3 磁鋼去角　　圖4 改進(jìn)的磁鋼排布

　　圖4 中, 在內(nèi)外兩磁路中加入反向磁場(chǎng),保證相鄰磁鋼極性相反。對(duì)于通常的磁場(chǎng)形式, 在跑道的中央, 水平磁場(chǎng)強(qiáng)度最大, 從中央向兩邊水平磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸變小, 通過(guò)實(shí)際測(cè)量, 當(dāng)?shù)竭_(dá)跑道邊緣磁場(chǎng)的水平分量低于200 Gs, 刻蝕現(xiàn)象已經(jīng)不明顯。圖4 中, 反向磁場(chǎng)的作用是使跑道中央的水平磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱, 同時(shí)小磁鋼與相鄰的大磁鋼形成磁路, 結(jié)果把跑道邊緣的水平場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)。從圖4 中的磁力線(xiàn)分布情況可以看到反向磁場(chǎng)起到了平滑和寬展靶面磁力線(xiàn)的作用。理想的情況是實(shí)現(xiàn)在靶面的磁力線(xiàn)完全平行于靶面。這可以套用數(shù)學(xué)上的傅立葉級(jí)數(shù)公式加以說(shuō)明。

　　由傅立葉變換可知, 對(duì)于矩形波可以由一系列不同頻率的正弦波疊加而成。因?yàn)樽罾硐氲拇艌?chǎng)形式是靶面的磁力線(xiàn)完全平行于靶面, 這樣靶面的磁場(chǎng)可以看成一段矩形波, 在內(nèi)外兩磁路中插入反向磁場(chǎng)相當(dāng)于取兩項(xiàng)展開(kāi)。如圖5 所示。在圖4 中, 大磁鋼形成的磁場(chǎng)相當(dāng)于圖5 中的展開(kāi)式1, 小磁鋼之間, 及小磁鋼與大磁鋼之間形成的磁場(chǎng)相當(dāng)于圖5 中的展開(kāi)式2, 根據(jù)磁路疊加, 最后形成的水平磁場(chǎng)是接近于矩形波的雙峰形式。在改進(jìn)的磁路設(shè)計(jì)中就是利用這一原理。從圖4 和圖5 中可以看出, 靶面的磁力線(xiàn)和磁場(chǎng)強(qiáng)度的水平分量更加平滑, 能夠有效地增加靶面跑道的寬度, 實(shí)現(xiàn)靶面均勻刻蝕。

圖5 傅立葉變換