磁约束磁控溅射装置的磁场分析

磁约束磁控溅射装置的磁场分析

摘要:磁约束原理目前主要应用于热核聚变中,本文介绍了磁约束原理及依据磁约束原理设计的磁控溅射装置,同时利用ANSYS11.0有限元分析软件对磁约束磁控溅射装置的磁场进行模拟计算,计算磁铁数量、厚度及相对磁铁间距对磁场的影响,进而得出靶面磁场强度的分布情况,并将数值模拟数据与实验测得数据做了对比分析。结果表明,实验实测数据与有限元分析数据基本一致,模拟结果为磁约束磁控溅射装置的设计提供了比较准确的数据资料。

关键词:磁约束有限元磁控溅射磁场强度

1 引言

磁控溅射技术作为一种镀膜技术,具有“高速”、“低温”的特点。如今已经发展成为工业镀膜生产中最主要的技术之一,主要适合大面积镀膜[1]。

实验室目前应用的磁控溅射靶仍然存在一些缺点,如磁控溅射靶靶材利用率一般只有20%～30%、溅射效率也比较低一般只有5.2原子/keV等,这些缺点对于普通材料的制备,如TiN等的溅射成本没有太大影响,但是,随着现代材料技术的发展,一些材料如金、银、铂等贵金属,以及一些高纯度合金材料,如Ti3Al等,以及一些功能膜如ITO膜、电磁膜、超导膜、电子膜、电介质膜等膜层需要的靶材都及其昂贵,因此如何提高磁控溅射靶靶材的利用率相当重要[2]。本文基于磁约

束的原理设计了一种磁场结构,所谓的磁约束原理就是“磁镜”效应,采用中间强两边弱的磁场将等离子体约束在靶面上方。

本文中靶材选用的是矩形铝靶,磁铁分布在靶的两侧。磁场的主要作用是维持系统较高的等离子体密度,降低放电电压。如图1所示在合适的电场和磁场强度下,磁约束磁控溅射装置可以有效地约束靶表面发射出的二次电子,这些电子不会直接向阳极运动,而是在阴极表面做螺旋形的E×B漂移运动,达到刻蚀靶材的效果[3]。

相对于目前磁控溅射技术,这种装置具有如下优点。

(1)靶材下方可以不需要磁体,靶的整体结构简单,没有移动机构,更换靶材方便,水冷效果好。磁约束磁场在靶的表面形成近似平行靶面的磁场,可以实现靶的表面产生均匀溅射,靶材利用率大幅度提高。

(2)磁极在靶材的两侧,间距较大,磁场强度分布由靶材表面到基片方向逐渐减弱,等离子区域被扩大到基片表面,可以达到非平衡磁控溅射的效果,基片和薄膜受粒子轰击并被加热,起到了离子束辅助沉积的作用,减少了薄膜的内应力,提高薄膜的致密度[4]。

(3)由于在靶的整个表面都形成等离子区,溅射过程发生在整个靶表面,改变以往磁控溅射主要溅射在环形跑道区域,溅射速率提高2～3倍。

2 磁场的计算

对于相同的磁控溅射靶,装置尺寸越大,永磁体产生的磁场强度应该越弱；如果考虑溅射速率,优先设计的磁场强度应强些,但溅射功率等指标并不会随着磁场强度的增加而增加,因为过高的磁场强度会降低靶材利用率[5]。

当前磁约束磁控溅射装置中的永磁铁选用的是钕铁硼,尺寸为50mm×50mm×10mm,文中矩形平面靶的靶长度远大于宽度,在整个靶的工作区域磁场分布基本一致。因此对于工作区域的磁场我们采用ANSYS有限元软件进行分析计算[6]。

2.1 磁铁厚度对磁场的影响

文中在ANSYS模拟过程中,分别对永磁铁的厚度为10mm、15mm、20mm、25mm时所产生的磁场进行模拟对比,最终得出磁场强度分布曲线如图2所示,从图2中可看出当磁铁厚度为10mm时,磁铁两端的磁场强度与中心点磁场强度比值最大,且磁场强度分布比较对称,也就是说磁铁厚度为10mm时磁约束效果最好。由此可见,磁铁的厚度对磁约束装置中的磁场强度分布是有一定影响的,厚度越大,磁约束效果越差。

2.2 磁铁间距对磁场的影响

在磁铁的设计中分别对磁铁间距为140mm、160mm时的磁场进

行模拟,得出磁场强度分布曲线如图3所示。从图中可以看出当磁铁间距为160mm时,磁场强度分布比较对称,两端磁场强度与中心点磁场强度比值较大,即磁约束效果较好。

从以上的模拟结果可以得知,磁铁的最终参数为厚度10mm,磁铁间距为160mm。通过实验的验证得出如图4所示的磁场强度分布曲线。

图4为实测靶面磁场强度与模拟值的对比,首先,从图中可以看出靶面Y轴方向的场强分布是两边强中间弱,由于两侧磁铁的作用从而验证了磁约束原理,其次,理论值与实际值基本吻合,但仍存在一定的偏差,原因是因为在理论模拟过程中网格的划分存在误差造成的,而实际测量时磁铁的磁场可能也会受到外界一些因素的影响而与实际值有所偏离,但这些基本都在误差范围之内,对实验结果影响不会很大。

3 结语

通过研究磁场对磁控溅射过程的影响,总结出矩形平面直流磁控溅射装置工作区域的磁场强度分布情况。文中采用不同结构参数进行了对比分析,得出磁铁厚度为10mm、相对磁铁间距为160mm时约束效果较好。同时通过理论分析与实际验证,得知采用该结构时可以达到较好的磁约束效果,磁场分布满足两端强中减弱的“磁镜效应”,可以将等离子体约束在中间区域,得出靶面场强基本在60mT左右,符合磁

控溅射时靶面场强40mT-60mT的要求范围。

参考文献

[1] 邱清泉,励庆孚,Yu Jiao,等.矩形平面直流磁控溅射装置端部磁场分析[J].中国电机工程学报,2006,26(25):119-124.

[2] 刘翔宇.磁控溅射镀膜中靶的优化设计[D].北京:清华大学电子工程系,2004.

[3] Shidoji E , Nemoto M , Nomura T. An anomalous erosion of a rectangular magnetron system [J].J Vac Sci Technol:A,2000,18(6):2858-2863.

[4] 李泉凤.电磁场数值计算与电磁铁设计[M],北京:清华大学出版社,2002.

[5] 黄英,张以忱.圆柱旋转双面矩形磁控溅射靶磁场的设计计算[J].真空与低温,2001,7(4):233-237.

[6] 唐兴伦.ANSYS工程应用教程——热与电磁学篇[M].北京:中国铁道出版社.2003:500～534.