磁约束磁控溅射源的研制.doc

磁约束磁控溅射源的研制弥谦，袁建奇，雷琳娜(西安工业大学陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室西安710032)The design of magnetic constraint magnetron sputtering source Mi Qian,Yuan Jianqi,Lei Linna(Shanxi Province Thin FilmTechnology and Optical Test OpenKeyLaboratory,Xian Technological University,Xian710032,China)Abstract In order to improve the efficiency of the target and improve the deposition rate, the seminar design a kind of new magnetron sputtering device. This device using permanent magnets or electromagnet produce magnetic confinement (magnetic mirror) magnetic field above the surface of sputtering target. Based on experimental test principle prototype, the testing show that the result of using double row magnet of single side is better than three rows magnet of single side. When the gas pressure is 3.1 Pa, output voltage is 350V and current output is 0.6 A, Working of sputtering source is the most stable and etching area of the target surface exceed 60%.Keywords magnetron sputtering, magnetic confinement，etching摘 要：为了提高靶材利用率和提高沉积速率，研究组设计了一种新型磁控溅射装置。本装置使用永磁体或电磁体在溅射靶表面上方产生磁约束（磁镜）磁场。通过对原理样机进行实验测试，测试结果表明：采用单侧双排磁铁比采用单侧三排或单侧单排磁铁时溅射效果要好。在气体压强3.1Pa，输出电压350V，输出电流0.6A时溅射源工作最稳定，刻蚀区域面积最大，占整个靶面面积的60%以上。关键词 磁控溅射 磁约束 刻蚀中图分类号：TN305.92目前，磁控溅射技术广泛应用到表面改性、装饰薄膜、光学薄膜、超导薄膜以及功能薄膜等薄膜制备中1,2。等离子体镀膜技术和传统热蒸发镀膜相比较有很多的优越性，离子束溅射、非平衡磁控溅射和脉冲电弧沉积离子（原子）的能量比热蒸发高10100倍，提高了薄膜的聚集密度，使膜层的特性更趋向于大块材料，因而增加了膜层强度，膜层间表面材料的混合也改善了附着力，有时甚至可以减小膜层内的高张应力。使用磁控溅射镀膜技术已经成为国内和国际上镀制薄膜的主要技术途径。但靶材利用率低和溅射速率低一直是镀膜工业的主要难题，通常靶材利用率在20%35%，多年以来研究人员一直通过各种改进途径提高靶材利用率和沉积速率36。本文所介绍磁约束磁控溅射源就是针对靶材利用率低这一主要问题而提出的新型溅射装置。1 原理1.1 磁控溅射的原理磁控溅射的工作原理如图1所示。磁控溅射是在二极溅射的基础上以增加磁场来改变电子的运动方向,束缚和延长电子运动轨迹，从而提高电子对工作气体的电离几率和有效利用电子的能量。电子在电场E作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞。若电子具有足够的能量(约为30 eV)时，则可电离出Ar+图1 磁控溅射原理图Fig.1 Illustrative diagram of magnetron sputtering和另一个电子，电子飞向基片，Ar+在电场E作用下加速飞向阴极(溅射靶)，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。1.2 磁约束（磁镜）原理“磁约束”即磁镜效应7。磁镜效应是磁矩不变性的一个重要应用，假设有一个如图6所示的磁场，磁场由两边向中间逐渐减弱。若带点粒子开始时处于磁场中的A点，运动速度为，跟磁场的夹角为。它在平行于磁场和图2 磁镜装置的磁场位形Fig.2 Magnetic field configuration of magnetic mirror system垂直与磁场的两个方向上的速度分量分别为和。当带电粒子从磁场较弱的区域向磁场较强的区域运动时，就是从图中A点运动到B点时，由于磁矩是常数，而B点磁场比A点磁场强，因而在点时的应该比点时大。，所以说带电粒子运动到点，它的垂直速度分量要增大。由于总能量是一定的，因而的增大是以的减小为代价的。当带电粒子继续前进时，。这表明粒子的纵向速度为0，不能再继续沿磁力线前进而被反射回去。好像光线照到镜子上反射回来一样。处于中间区域的高温等离子体当它们沿着磁力线向两端运动时，遇到强磁场被反射回来，这样高温等离子体就可以被约束在两面“镜子”之间的中间区域而不损失掉。2 磁控溅射源的设计2.1 磁场的设计根据模拟结果和实际理论计算发现，单排磁铁（图3a）的磁场强度较弱，这在后期的实验也得到了验证，由于磁场强度低于40mT，所以约束起来的等离子体的数量和范围有限，这会使放电功率加大，要求较高的起弧电压和很大的Ar气流量，尽管如此放电效果一般，靶面的刻蚀区域只有40%，达不到预想目标。 （a） （b）（c）（a）one row magnet（b）two row magnet（c）three row magnet图3 磁场的有限元模拟Fig.3 Finite element modelling of magnetic field而采用单侧两排磁铁效果就会有很大的改善（如图3b所示）。从图中可以看出，内部两排磁铁与单排磁铁的磁力线分布基本相同。外部的两排磁铁有一部分磁力线走向与内部磁铁的走向相同，而另外一部分磁力线向空间发散，这部分磁场扩大了等离子体的范围，这部分磁场分量有效地约束二次电子运动，可以维持稳定的磁控溅射放电的同时，另一部分电子沿着强磁极产生的垂直靶面的纵向磁场，可以使逃逸出靶面的电子飞向镀膜区域。这些飞离靶面的电子还会与中性粒子产生碰撞电离，进一步提高镀膜空间的等离子体密度，有利于提高沉积速率，带电粒子的轰击还会显著地改变膜层的微观结构，进而改善其物理特性，起到非平衡磁控溅射的效果。三排磁铁（图3c）能很大程度上加大靶面磁场强度，也是此溅射源设计的磁场的极限磁场方式。图4所示的磁控溅射装置就是依据磁约束（磁镜）原理设计出来的。1、substrate 2、lines of force 3、plasma 4、permanent-magnet 5、sputtering target material 6、cooling water of target 7、magnetizer图4 磁控溅射装置原理图Fig.4 Schematic diagram of magnetron puttering device本装置的优点：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；可以实现靶的表面产生均匀溅射，靶材利用率达60%以上。磁镜（磁约束）磁场约束的等离子区域扩大到基片表面，基片和薄膜受粒子轰击并被加热，减少了薄膜的内应力，提高薄膜的致密度。 2.2 设计结果根据磁约束原理我门设计出了原理样机，为使磁控溅射源的整体结构紧凑，易加工，装配简单且成本较低。源整体设计为长方体形状，靶也为矩形靶，如图所示。源整体尺寸为280152115（单位：mm），靶的尺寸为2006015（单位：mm），这也是在考虑了真空室的具体空间得出的尺寸，该溅射源应用于镀膜工业上时可以做出适当调整，所以此系统只是为一个小型溅射源（实验源）。图5为磁控溅射源的三维模拟图，实际加工成型的溅射源与模拟结果相吻合。 图5 溅射源的模拟图和实物图Fig.5 Mimetic diagram and physical model of sputtering source此源完全抛弃了传统离子源所使用的跑道环形式的磁场结构设计模式，而是在靶的两侧布置单排或多排电磁铁或永磁铁，使整体的结构简单化。3 溅射源的测试及分析3.1 靶面磁场测试为了验证模拟结果的可靠性及靶面磁场强度的实际值，需要对靶面的磁场进行测量。采用高斯计在靶面以上2mm处测得磁场实际强度分布。图6分别是探针每隔1cm测得的X轴中线上的磁场强度分布曲线。图 6 矩形靶面X轴上的磁场强度分布Fig.6 Magnetic density on the X axile of rectangle target surface由上图所示，靶面磁场沿X轴方向的分布较均匀，水平磁场的分布在43mT48mT之间，基本平行于靶面。水平磁场分布两边强，中间弱，这是由于永磁体摆放在靶的两侧，所以永磁体附近的靶面磁场较强，靶面中部磁场较弱，这样便形成一个磁约束磁场。3.2 溅射源的伏安特性工作气压为4Pa时磁控溅射靶源的伏安特性曲线如图7所示。图7 磁约束磁控溅射源的伏安特性曲线Fig.7 The current voltage characteristic of magnetic confinement magnetron sputtering source当靶源接通电源后，随电压的增加，电流变化不大，当电压大于500V后，溅射靶源产生辉光放电，其后随放电电压的增加电流缓慢增加，辉光稳定增强。3.3 靶的刻蚀实验后对靶进行计算分析，在气体压强3.1Pa，输出电压350V，输出电流0.6A时溅射源工作最稳定，刻蚀区域面积最大，占整个靶面面积的60%以上。完全符合设计要求。如图8所示，为原理样机的工作照片。 a、三排磁铁 b、双排磁铁a、one row magnet b、two row magnet图8 磁控溅射源工作照片Fig.8 The working picture of magnetron sputtering source4、结论经过大量实验结果表明，磁约束磁控溅射源可以实现在靶的表面产生均匀溅射。可使靶材利用率达到60%以上，工作状态稳定，但也存在一些问题，比如单端溅射较强等。总之此溅射源基本满足设计要求还需进一步改进。参考文献1 Lieberman MA,Lichtenberg A J.Principles of plasma dis-charges and materials processingM. New York: Wiley,1994:465-4702杨文茂,刘艳文,徐禄祥,等.溅射沉积技术的发展及其现状J.真空科学与技术学报,2005(25):204-2103 BUGAEV S P, PODKOWVYROV V G,OSKOMOV K V,et al.Ion-assisted pulsed magnetron sputtering deposition ota-C filmsJ. Thin Solid Films, 2001,389(1-2):16-26.4赵新民,狄国庆,朱炎,等.外加磁场对磁控溅射靶利用率的影响J.真空科学与技术学报,2003,(23):104-1065郭明孟,怡敏.调整磁场提高靶材利用率J.中国玻璃,2003,(5);21-266 MUSIL J, LESTINAL J, VLC