磁控溅射靶靶型分类

磁控溅射靶靶型分类
发布时间：2010-11-11
磁控溅射靶靶型分类
靶型开发的历程大致如下：首先开发的是轴状靶→圆盘形平面靶→S-枪→矩形平面靶→各种异形靶→对靶或孪生靶→靶面旋转的圆柱靶→靶-弧复合靶→……，目前应用最广泛的是矩形平面靶，未来最受关注的是旋转圆柱靶和靶-弧复合靶。

同轴圆柱形磁控溅射
在溅射装置中该靶接500-600V的负电位，基片接地、悬浮或偏压，一般构成以溅射靶为阴极、基片为阳极的对数电场和以靶中永磁体提供的曲线形磁场。

圆柱形磁控溅射靶的结构
1—水咀座；2—螺母；3—垫片；4—密封圈；5—法兰；6—密封圈；
7—绝缘套；8—螺母；9—密封圈；10—屏蔽罩；11—密封圈；12—阴极靶；
13—永磁体；14—垫片；15—管；16—支撑；17—螺母；18—密封圈；19—螺
帽
圆柱形磁控溅射靶的磁力线
在每个永磁体单元的对称面上，磁力线平行于靶表面并与电场正交。

磁力线与靶表面封闭的空间就是束缚电子运动的等离子区域。

在异常辉光放电中，离子不断地轰击靶表面并使之溅射，而电子如下图那样绕靶表面作圆周运动。

在圆柱形阴极与同轴阳极之间发生冷阴极放电时的电子迁移简图
平面磁控溅射
圆形平面磁控溅射
圆形平面靶采用螺钉或钎焊方式紧紧固定在由永磁体（包括环形磁铁和中心磁柱）、水冷套和靶外壳等组成的阴极体上。

如下图所以结构：
圆形平面磁控溅射靶的结构
1—冷却水管；2—轭铁；3—真空室；4—环形磁铁；5—水管；6—磁柱；
7—靶子；8—螺钉；9—压环；10—密封圈；11—靶外壳；12—屏蔽罩；
13—螺钉；14—绝缘垫；15—绝缘套；16—螺钉
通常，溅射靶接500-600V负电压；真空室接地；基片放置在溅射靶的对面，其电位接地、悬浮或偏压。

因此，构成基本上是均匀的静电场。

永磁体或电磁线圈在靶材表面建立如下图的曲线形静磁场：
圆形平面磁控靶的磁力线
1—阴极；2—极靴；3—永久磁铁；4—磁力线
该磁场是以圆形平面磁控靶轴线为对称轴的环状场。

从而实现了电磁场的正交和对等离子体区域的封闭的磁控溅射所必备的条件。

由磁场形状决定了异常辉光放电等离子区的形状，故而决定了靶材刻蚀区是一个与磁场形状相对称的圆环，其形状如下图：
圆形平面靶刻蚀形状
冷却水的作用是控制靶温以保证溅射靶处于合适的冷却状态。

温度过高将引起靶材熔化，温度过低则导致溅射速率的下降。

屏蔽罩的设置，是为了防止非靶材零件的溅射，提高薄膜纯度。

并且该屏蔽罩接地，还能起着吸收低能电子的辅助阳极的作用。

其位置，可以通过合理设计屏蔽罩与阴极体之间的间隙来确定，其值应小于二次电子摆线轨迹的转折点距离d t,一般≤3mm。

磁控溅射的磁场时由磁路结构和永久磁体的剩磁（或电磁线圈的安匝数）所决定的。

最终表现为溅射靶表面的磁感应强度B的大小及分布。

通常，圆形平面磁控溅射靶表面磁感应强度的平行分量B1为0.02-0.05T，其较好值为0.03T左右。

因此，无论磁路如何布置，磁体如何选材，都必须保证上述B1要求。

矩形平面磁控溅射靶
一个典型的矩形平面靶断面结构图
其结构与圆形平面磁控溅射靶基本相同，只是靶材是矩形的而不是圆形平面。

其磁力线形状见下图：
矩形平面磁控溅射靶的磁力线
磁体布局
磁体的布局直接影响溅射靶的刻蚀均匀程度和沉积膜厚均匀性。

为了改进该均匀性，可采用下图所示磁体布局：
矩形阴极改进了沉积膜厚度分布后的磁铁排布情况：
（a）—双环；（b）—带隙磁铁；注明了实验测定的均匀度可见，矩形平面磁控溅射靶的两个端部是刻蚀和膜厚分布不均匀问题最严重的部位。

其原因是端部磁场不均匀并与中部存在着差异。

因此，保证磁路的长宽比大于3，基片应沿矩形靶的宽度方向运动或矩形靶加长使其端部位于基片之外。

靶材的安装
安装方式分直接水冷和间接水冷两种形式。

采用间接水冷，为了保证靶材的冷却效果，应将其紧紧压在水冷背板上，为此，压框与水冷却背板得间隙y必须大于0.5mm。

我们一般采用的是在靶材上开螺钉孔，直接用螺钉将靶材连接到水冷背板上，为了使传热效果更好，在两者之间压一层薄薄的石墨纸。

此外，也可以采用钎焊技术将靶材焊接在水冷背板上。

安装形式如下图：
靶材冷却型式
（a）—直接冷却；（b）—间接冷却；
1—压框；2—靶材；3—背板；4—密封圈；5—冷却水；6—阴极体
靶材刻蚀区域
对比如下两图：
平面磁控溅射的工作特性
）电压、电流及气压的关系：通常，平面磁控溅射的工作条件为阴极电压300-600V、电流密度4-60mA /cm2、氩气压力0.13-1.3Pa、功率密度1-36W/cm2。

（a）—各种气压下, 矩形平面磁控阴极的电流——电压特性
（b）—恒定的阴极平均电流密度数值下，阴极电压与气压的关系
）沉积速率
沉积速率是表征成膜速度的物理量，其值与溅射速率成正比。

由于溅射靶的不均匀溅射和基片的运动方式决定了薄膜沉积的不均匀性。

平面磁控溅射的基片运动方式
（a）—行星运动；（b）—有小孔屏蔽极的平面运动；
（c）—鼓形转动；（d）—直线运动
因此，一般以膜的平均厚度除以沉积时间所定义的平均沉积速率（nm/min）来表征沉积速率。

平均沉积速率与溅射靶的功率密度（W/cm2）的比值称为功率效率。

在靶尺寸、磁路及功率密度一定时，沉积速率将随着靶材变化。

对于非铁磁性材料，该变化是由于溅射率
的差别而引起的。

下表列出了600eV离子能量的溅射速率：
气体压力对平面磁控溅射沉积速率的影响如下图：
可见，对于具体的溅射装置和溅射条件，有一个最佳的气体压力值。

为尽可能地提高沉积速率，基片应尽量靠近溅射靶，但必须保证稳定地异常辉光放电。

通常，其最小间距为5-7cm。

最大功率密度是限制沉积速率的另一个主要因素。

综上所述，溅射靶刻蚀区尺寸及其功率密度、靶-基距、靶材、气压、磁路及磁物等参数均是影响沉积速率的因素。

溅射靶的热学特性和机械特性则是限制最大沉积速率的因素。