加载中…磁控溅射靶的磁路设计
(2010-11-16 11:58:03)
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杂谈 |
时间:2010-01-06 来源:核工业西南物理研究院 编辑:韩大凯
磁控溅射是现代最重要的镀膜方法之一, 具有简单, 控制工艺参数精确和成膜质量好等特点。然而也有靶材利用率低、成膜速率低和离化率低等缺点。研究表明磁场结构对上述问题有重要影响, 本文介绍了一种磁控溅射靶磁路优化设计方案。并对改进的磁场结构和一般的磁场结构进行了分析比较, 并给出了实验结果。
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。
1、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区域的电子密度, 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( 相邻磁钢极性相反, 即NSN 或SNS) 。
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图1 磁钢排布和磁力线分布 图2 通常磁钢排布形成的刻蚀
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。
通过面积计算可知, 上述的磁钢排列方式,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。
2、磁场的优化设计
为了提高靶材的利用率, 几十年来, 已经有了很多优秀的解决方案, 如本文开始提到的一些, 但是大都是通过磁体的机械运动, 使磁场在靶面形成的跑道均匀的扫过靶面, 实现靶面均匀刻蚀。由于存在运动机构, 势必使靶的结构变得复杂。所以通过静态磁钢的合理排列, 而获得理想的磁场分布是最佳的解决方案。在一些文献中提到过几种静态的磁场改进设计, 想通过改变磁钢形状, 如想采用磁钢去角的方法获得优秀的靶面磁场分布。结构形式如图3 所示。
通过数值计算可知, 图3 中的磁力线的形状没有大的变化, 但是靶面磁场的强度却相对减弱, 可见效果并不明显。由于溅射刻蚀主要发生在磁力线近似平行于靶材表面的区域, 所以优化设计的基本方法就是使磁力线尽量多的平行于靶面。以下的改进设计方法就是基于此原理。在本文中采用的是磁路叠加原理。磁钢排列如图4所示。
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图3 磁钢去角 图4 改进的磁钢排布
图4 中, 在内外两磁路中加入反向磁场,保证相邻磁钢极性相反。对于通常的磁场形式, 在跑道的中央, 水平磁场强度最大, 从中央向两边水平磁场强度逐渐变小, 通过实际测量, 当到达跑道边缘磁场的水平分量低于200 Gs, 刻蚀现象已经不明显。图4 中, 反向磁场的作用是使跑道中央的水平磁场强度减弱, 同时小磁钢与相邻的大磁钢形成磁路, 结果把跑道边缘的水平场强度增强。从图4 中的磁力线分布情况可以看到反向磁场起到了平滑和宽展靶面磁力线的作用。理想的情况是实现在靶面的磁力线完全平行于靶面。这可以套用数学上的傅立叶级数公式加以说明。
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由傅立叶变换可知, 对于矩形波可以由一系列不同频率的正弦波叠加而成。因为最理想的磁场形式是靶面的磁力线完全平行于靶面, 这样靶面的磁场可以看成一段矩形波, 在内外两磁路中插入反向磁场相当于取两项展开。如图5 所示。在图4 中, 大磁钢形成的磁场相当于图5 中的展开式1, 小磁钢之间, 及小磁钢与大磁钢之间形成的磁场相当于图5 中的展开式2, 根据磁路叠加, 最后形成的水平磁场是接近于矩形波的双峰形式。在改进的磁路设计中就是利用这一原理。从图4 和图5 中可以看出, 靶面的磁力线和磁场强度的水平分量更加平滑, 能够有效地增加靶面跑道的宽度, 实现靶面均匀刻蚀。
图5 傅立叶变换
3、有限元分析计算本文采用Ansys 通用有限元计算软件进行磁场的对比分析。对一般形式的磁钢排列方式和优化的多路磁钢排列分别进行了计算。两种方式的磁钢材料相同, 通过计算分析靶面总的磁通量密度BSUM 及其水平分量BX 和竖直分量BZ 与靶面水平坐标的关系如图6, 7 所示。
图6 通常的磁路的计算结果 图7 优化磁路设计的计算结果
图6 为通常的磁场的计算结果, 图7 为改进的磁场的计算结果。对于各自的靶面位置, 是根据两种磁场结构各自的合理位置选取的。比较图6 和图7 中磁通密度的水平分量BX 的图形, 图6中BX 曲线为单峰形式, 同时单峰的陡峭程度比较大, 由磁镜原理可知, 磁场梯度大, 等离子体被约束在峰中央的几率越大, 所以这种磁场结构更容易形成窄的刻蚀槽。图7 中磁通密度的水平分量BX 曲线为双峰形式。双峰结构正是磁场叠形成的结果。同时磁场在跑道区梯度变小, 这些都有利于靶面的均匀刻蚀。通过调整附加磁场的位置和磁场的强度, 可以使BX 曲线分量在较大的靶面范围内近于平行。可见改进的磁场位形更加有利于靶面的均匀溅射, 扩展了靶面的溅射范围。
4、改进磁场结构靶面实际刻蚀
图8 所示为使用改进的磁场结构形成的靶材的刻蚀轮廓。
图8 改进磁钢排布形成的刻蚀
在工业生产设备中溅射靶采用上述的磁场排布形式, 能够克服在通常磁钢排列中出现的一些问题。包括: 由于靶材的溅射范围比较窄, 造成靶材的利用率不高。根据图2 和图8 所示, 靶材的利用率将有很大的提高。有些靶材价格比较昂贵, 利用率不高, 势必造成生产成本增加。由于通常磁钢排列形式的靶面非均匀溅射, 随着溅射的不断进行, 靶面的刻蚀范围越来越窄, 在溅射功率恒定的情况下, 靶材的刻蚀深度会加速进行,靶材的使用寿命大为缩短, 在整个生产周期中,增大了换靶频率, 导致生产效率下降, 从生产工艺考虑, 由于靶溅射范围窄, 在靶面非刻蚀区域容易造成溅射粒子的二次沉积, 二次沉积容易形成碎片, 脱落后造成膜的污染, 这是膜污染的主要来源。在镀介质膜时, 反应气体在靶面非溅射区域容易形成不导电的介质膜, 在介质膜上的电荷积累到一定的成度, 形成弧光放电, 造成等离子体的不稳定。优化磁场结构设计制造的磁控溅射源能够有效的解决上述问题, 无论在金属模式下, 还是在反应模式下镀膜, 对生产效率的提高,都有很大的促进作用。
5、实验及分析
实验的主要内容是比较通常磁场结构和优化的磁场结构溅射源沉积成膜的均匀性。为了对比说明, 两种结构的溅射靶保持在相同的工艺条件, 实验中本底真空为5 ×10- 3 Pa , 工作气体为氩气, 工作真空度为2.3 ×10- 1 Pa , 真空度和气体流量分别由真空计和气体流量来调节和控制。实验中两种磁场结构靶面尺寸都为1200 mm×120 mm, 靶功率为15 kW。在实验中采用晶振仪动态测量膜的厚度。晶振片距离靶面距离为100 mm, 在沉积成膜时, 晶振仪探头从靶面的一端移动到另一端。测量结果经过单位换算如图9 所示。可见改进的磁场结构沉积成膜的均匀性要比通常结构的沉积成膜要好。对于通常磁场结构镀制膜的均匀性偏差大致有20%, 而改进的磁场结构沉积成膜的均匀性偏差大致有10%。沉积成膜的均匀性的提高是由于靶溅射面积的增加所引起的。
图9 两种磁场结构膜的沉积速率 图10 不同气压下靶的伏安特性曲线
为了了解磁控溅射源的性能, 对两种磁场结构的溅射源的伏安特性曲线进行了测量。磁控溅射的伏安特性曲线符合以下经验公式:
式中I 是靶电流, U 为靶电压, 其中n 称为等离子体电子束缚效应系数。n 值反映的是跑道磁场对电子的捕集能力, n 值越大, 气体放电的阻抗越低, 表明靶面磁场对电子的束缚越严密, 通常无磁场的标准二极溅射的n 值为1～2, 而磁控溅射的n 值通常在3～15 之间。实验中分别测量靶在2.3×10- 1 Pa 和3.9×10- 1 Pa真空度下的伏安特性曲线。
图10 为孪生靶在不同气压下的伏安特性曲线。
对式( 2) 两边取对数
ln( I) =ln( K) +nln( U) ( 3)
可以得到ln (I)和ln (U)的线性关系, n 为直线的斜率。通过最小二乘法, 求出数据的一次拟合曲线, 可以得出n 的值。表1 中列出了对于不同的气压下对应的两种磁场结构的溅射源n 值。从表1 的结果可以看出, 优化的磁场结构对于电子的约束能力有所提高。
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