磁控溅射靶的磁场排布分析

磁控溅射靶的磁场排布分析
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
邻磁钢极性相反,即NSN或SNS) 。
图1 磁钢排布和磁力线分布图 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
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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。
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。 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
图2 通常磁钢排布形成的刻蚀 通过面积计算可知, 上述的源自文库钢排列方式,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。