（流体机械及工程专业论文）小圆平面靶磁控溅射镀膜均匀性的研究.pdf

l， at h e s i si nf l u i dm a c h i n e r ya n d e n g j n e e r i n g r e s e a r c ho ff i l m u n i f o r m i t y o ns m a hc i r c u l a r p l a n e t a r g e tb ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g b yd o n g “a n j u n s u p e r v i s o r ：a ；s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gy i c h e n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 1 1 ； _ 。 4 、 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：墨莲皮 日期：删 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： t t - i半年口一年口一年半口 丙军彳 学位论文作者签名连邑照 导师签名： 签字日期：签字日期： 一i j ， - ， i h k 疋 东北大学硕士学位论文 摘要 小圆平面靶磁控溅射镀膜均匀性的研究 摘要 磁控溅射镀膜是工业镀膜生产中最主要的技术之一，薄膜厚度均匀性是衡量薄膜质 量和镀膜装置性能的一项重要指标。现今生产所用的磁控溅射镀膜技术，为力求好的膜 厚均匀性，往往将磁控靶的尺寸做得比基片尺寸大，虽然能够保证膜厚的均匀性良好， 但是这样很容易造成靶材的浪费，提高了生产成本。因此膜厚均匀性相关问题的研究将 具有重要的学术和应用价值。 本文从圆平面磁控溅射的原理出发，针对所使用的圆形平面靶面积小的特点，设计 出一种能够实现基片偏心自转和自转与公转复合运动的基片旋转机构，能够利用小靶在 较大面积的基片上镀制厚度均匀的薄膜。根据磁控溅射相关理论，对所设计的圆形平面 靶磁控溅射装置进行分析，建立膜厚分布的数学模型，并利用计算机进行模拟计算。 模拟计算的结果表明：基片偏心自转时，靶基距和偏心距对膜厚分布均有影响，在 一定范围内，随着靶基距的增大，薄膜厚度变小，膜厚均匀性有提高的趋势；随着偏心 距的增大，膜厚均匀性先变好后变差。同时，圆形平面靶的刻蚀范围大小对膜厚也有重 要的影响，随着刻蚀范围的增大，薄膜厚度增加明显，即沉积速率增加，而对膜厚均匀 性的影响不大。基片做自转与公转复合运动镀膜时，靶基距、偏心距和自转与公转的转 速比对膜厚均匀性的影响较大。在一定范围内，随着靶基距的增大，薄膜厚度变小，膜 厚均匀性有提高的趋势；随着偏心距的增大，膜厚均匀性先逐渐变好之后逐渐变差；转 速比增大时，膜厚均匀性逐渐变好，转速比增大到一定程度后，它对膜厚均匀性的影响 逐渐变小。溅射靶的刻蚀范围增大，薄膜的沉积速率明显增加，膜厚均匀性变化较小。 通过基片旋转机构的设计，以及对小圆平面靶磁控溅射镀膜膜厚均匀性的计算分 析，证明利用面积较小的圆形平面磁控溅射靶，配合所设计的基片旋转机构，能够在基 片上较大范围内获得均匀性良好的薄膜。为小圆平面磁控溅射系统的实际应用提供了理 论依据。 关键词：磁控溅射；圆平面靶；数学模型；膜厚均匀性；转速比 - 1 1 一- 且 i - | 一 ，- ，鼍 、- 一 东北大学硕士学位论文abstract r e s e a r c ho f f i l mu n i f o r m i t yo ns m a ut a 略e t b ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g a b s t r a c t t h em a g n e t r o ns p u t t e r i n gc o a t i n gt e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s tm a i n e s tt e c h n 0 1 0 9 i e s f i l mt h i c k n e s su n i f 6 n 1 1 i t yi so n e0 ft h em o s ti m p o n a n ti n d e x e so ff i l mq u a l i t ya n dc o a t e r s p e 怕咖a n c e t 0o b t a i ng o o dt h j c k n e s su n i f o 加i t yo ff i l m ，l o t so fm a g n e t r o ns p u t t e r i n g c o a t e r su s u a l l yu s et a 唱e t sw h i c ha r el a 唱e rt h a ns u b s t r a t e s t l l l o u g hu s i n gt h i sm e t h o dw e c a ng e tf i l m sw h i c hh a v eg o o dt h i c k n e s su n i f o r m i t y ，i tc a nl e a dt 0w a s t e0 ft a r g e t s ，锄d i m p r o v ec o s t t h i ss i t u a t i o ni sm u c hm o r e0 b v i o u s s or e s e a r c h e si nt h i sf i e l dw i l lh a v e i n l p o r t a n ta c a d e m i ca n dp r a c t i c a lv a l u e s b a s e0 nt h ep r i n c i p l eo fc i r c u l a rp l a n em a g n e t r o ns p u t t e r i n g ，a c c o r d j n gt ot h es m a l l t a 唱e tw eu s ei nt h i st h e s i sw ed e s i g n e dam e c h a n i c a ls t m c t u r eb yw h i c hs u b s t r a t e sc a n a c h i e v ec o m p o u n dm o t i o nw h i c hh a sn o to n l yr e v o l u t i o nb u ta l s o r o t a t i o n u s i n gt h i s s t r u c t u r ew ec a no b t a i ng o o dt h i c l 【i l e s su n i f o m l i t yf i l mo nal a 唱e rs u b s t r a t e a c c o r d i n gt o t h ec o n e l a t i o nt h e o r i e so fm a g n e t r o ns p u t t e r i n g ，t h ec i r c u l a rp l a n et a r g e ti sa n a l y s i s w e e s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f f i l mt h j c k n e s su n i f o m l i t y ，s i m u l a t e da n dc a l c u l a t e d u s i n gc o m p u t e l a c c o r d j n gt ot h ec a l c u l a t i o n 卸d 粕a l y s i s ，w ec 锄g e tr c s u l t sa sf o l l o w s ：w h e nt h e s u b s t r a t e sr o t a t i o no f f a x i s ，f i l md i s t r i b u t i o ni sa 虢c t e db yb o t ht a 玛e t - s u b s t r a t ed i s t a n c ca n d e c c e n t r i c i t y i l lac e r t a i nf a n g e ，弱t h ei n c r e a s eo ft a 唱e t s u b s t r a t ed j s l a l l c e ，f i l mt h i c k n e s s b e c o m e st h i n n e ra i l df i l mt h i c k i l e 鼹 u n i f b 肿i t y b e c o m e sb e t t e r 触t h ei n c r e a s eo f e c c e n t r i c i t y f i l mt h i c k n e s su n i f b 册i t yb e c o m e sb e t t e r f i r s ta n dt h e nb e c o m e sw o r s e m e a n w h i l e ，t h es i z eo fe t c h i n ga r e ao ft h et a r g e ta f f e c t sf i l mt h i c l 【i l e s su n i f o 珊i t y 知t h e i n c r e a s eo fe t c h i n ga r e a ，f i l mt h i c k n e s si n c r c a s e ss i 印i f i c a n t l y ，t h a ti st os a y ，t h ed e p o s i t i o n r a t ei n c r e a s e d i 沁tt h ee f ! f e c t st 0f i l mt h i c k n e s su n i f o m l i t yb ye t c h i n ga r e aa r en o to b v i o u s w h e nt h es u b s t r a t e sr o t a t i o na n dr e v o l u t i o ns i m u l t a n e o u s ，f i l mt h i c k n e s su n i f o n n i t yi s a f f e c t e do b v i o u s l yb yt a 唱e t - s u b s t r a t ed i s t a l l c e ，e c c e n t r i c i t y ，卸ds p e e dr a t i 0 h lac e r t a i n r 姐g c ，筋t h ei n c r e a s eo ft a 略e t s u b s t r a t ed i s t 柚c e ，f i l mt h i c k n e s sb e c o m e st h i n n e r 卸df i l m t h i c k n e s su n i f o 肋i t yb e c o m e sb e t t e r 赴t h ei n c r e a s eo fe c c e n t r i c i t y ，f i l mt l l i c l 【i l e s s u n i f 0 咖i t yb e c o m e sb e t t e rf i r s t 柚dt h c nb e c o m e sw o r s e w h e nt l l es p e e dm t i oi n c r e a s e s ， f i l mt h i c l 【i l e s s u n i f o 胁i t yb e c o m e sb e t t e la n df i l mt h i c k n e s su n i f 0 肌i t yc h a n g e sl e s s i i l e v i d e n ta st h i sr a t i 0i n c r e a s e st os o m ee x t e n t a st h ei n c r e a s eo f e t c h i n ga r e a ，f i l mt h i c k n e s s i n c r e a s e ss i g n i f i c a n t l y b u t t h ee f ! l e c t st of i l mt h i c k n e s su n i f 0 册i t yb ye t c h i n ga r e aa r en o t o b v i o u s b yd e s i g n i n gt h em e c h a l l i c a ls t r u c t u r eo fs u b s t r a t er o t a t i o na n dr e v o l u t i o n ，a n d c a l c u l a t i n gt h ef i l mt h i c k n e s su n i f b r m i t yo ft h es m a nc i r c u l a rp l a n em a g n e t r o ns p u t t e r i n g s y s t e m ，i “sp m v e dt h a tu s i n gi h i ss m a 玎t a 唱e ta n dm e c h a n i c a ls t l l l c t u r ew ed e s i g n e d ，6 l m w i t hg o o dt h i c k n e s s u n i f o n n i t yc a nb eo b t a i n e d t h i sp a p e rp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i st 0t h e a p p l i c a t i o no ft h es m a l lc i r c u l a rp l a n em a g l l e t r o ns p u t t e r i n gs y s t e m k e yw o r d s ：m a g n e t r o ns p u t t e f i n g ； c i r c u l a rp l a n et a 唱e t ； m a t h e m a t i c a lm o d e l ； t h i c k n e s s u n i f o 硼i t y ； r e v 0 l u t i o nr a t i 0 - ， 且 r 东北大学硕士学位论文目录 目录 声明1 中文摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的目的和意义1 1 2 课题研究现状1 1 2 1 圆形平面靶设计的研究现状1 1 2 2 膜厚均匀性研究现状7 1 3 课题的研究内容1 0 第2 章圆形平面靶磁控溅射1 1 2 1 溅射成膜的特性1 1 2 1 1 溅射过程1 1 2 1 2 薄膜生长模式及形成过程1 1 2 1 3 溅射机理1 3 2 2 圆形平面磁控溅射1 4 2 2 1 圆形平面靶基本结构1 4 2 2 2 溅射靶的刻蚀1 5 第3 章小圆平面靶磁控溅射基片运动装置1 7 3 1 圆平面靶磁控溅射装置的结构1 7 3 2 圆平面靶磁控溅射基片装置的工作原理1 8 3 3 结构参数1 9 第4 章薄膜厚度分布模拟2 1 4 1 膜厚分布模型2 1 4 1 1 膜厚分布的物理模型2 1 4 1 2 膜厚分布的数学模型2 2 4 2 膜厚均匀性计算与分析。2 4 v 东北大学硕士学位论文 目录 4 2 1 基片原位自转时的膜厚均匀性。2 4 4 2 2 基片公转加自转时的膜厚均匀性4 4 4 3 ，j 、结6 1 第5 章结论与展望6 3 5 1 结论。6 3 5 2 展望。：6 4 参考文献6 5 致谢6 9 攻读学位期间发表的论文7 0 - ， u 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 磁控溅射技术作为一种十分有效的薄膜沉积方法，被普遍和成功地应用于许多方面， 特别是在微电子、光学薄膜和材料表面处理领域中，用于薄膜沉积和表面覆盖层的制备 【1 - 9 】。在工业生产中，膜厚均匀性、靶材利用率、沉积速率以及溅射过程稳定性等都是 人们普遍关心的问题。而在磁控溅射镀膜设备中，由于磁场的作用，造成靶上局部位置 的溅射刻蚀速率极大，其结果是在较短时间内靶上就会产生显著的不均均匀刻蚀，平面 靶的靶材利用率一般仅在2 0 3 0 。在实际应用中，人们为了消除靶面的不均匀刻蚀造 成的影响，获得均匀性更好的膜层，往往通过增加溅射靶的尺寸来保证膜厚均匀性，这 是一种保守的做法。这样做的结果是，造成大量靶材的浪费，尤其对于一些贵金属靶材， 这种状况更加明显。因此，研究如何利用尺寸较小的磁控溅射靶获得均匀性良好的薄膜， 有着重要的学术价值和应用价值。 如何提高膜层的均匀性是磁控溅射镀膜工艺研究的重点之一。膜层的厚度分布是影 响薄膜性能的一个重要的因素，在光学薄膜、电学薄膜，特别是一些大面积溅射薄膜的 应用中，对薄膜的厚度分布、均匀性有着严格的要求，因此，对于薄膜厚度分布和均匀 性进行研究是十分有意义的。 本文设计出可使被镀基片做公自转复合运动的机械结构，根据平面靶溅射理论，通 过数学建模和计算机模拟，建立了膜厚分布与基片复合运动的理论计算模型，从所设计 的机构出发，研究了溅射过程中不同参数对膜厚均匀性的影响，为小圆平面靶的实际应 用提供了理论依据和参考。 1 2 课题研究现状 1 2 1 圆形平面靶设计的研究现状 根据镀膜要求的不同，所采用的磁控溅射靶的结构也不同。大致可分为以下几类： 圆形平面靶、矩形平面靶、s 枪靶、圆柱形靶、特殊结构靶等【l o 】。本文所研究的圆形 平面靶主要用于大专院校、科研院所的薄膜研究和实验。 靶设计要考虑靶面的磁场分布、溅射速率、沉积速率以及靶材的利用率，还要考 虑导电、导热、磁屏蔽、冷却、密封和绝缘等诸多因素。其中电磁场的分布以及由以 上诸因素决定的等离子体的特性最为重要，需要重点考虑。 1 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 磁控溅射是利用磁场的洛仑兹力束缚阴极靶表面的电子的运动，从而提高了电子 和气体的碰撞几率，导致轰击靶材的高能粒子的增多和轰击基片的高能电子的减少， 从而凸显磁控溅射优于以往其他镀膜方法的“低温”、“高速”的特点。理想的磁场应 该是在整个靶面范围内均匀分布，尽量增强靶面范围内各处磁场的水平分量，提高其 均匀性。但在实际的经典结构中，不均匀分布的磁场产生密度不均匀分布的等离子体， 因而靶面上不同位置的溅射速率不同，剥蚀速度不同，同时膜层沉积的均匀性也不好。 显然增加磁场均匀性能够增加靶面剥蚀的均匀性，从而延长靶的寿命，提高靶材的利用 率；同时合理的电磁场分布还能够有效地提高溅射过程的稳定性【1 1 l 。为了能预见性的 处理和配置放电空间的磁场，对于圆形平面磁控溅射靶，人们作了大量理论结合实验 的工作。 东北大学的关奎之、李云奇两位教授早期提出了一种设计圆形平面磁控溅射靶的 等效电流磁场计算法【1 2 l ，并通过实测证明，用该法计算的磁感应强度b 的分布及其规 律可以作为设计圆形平面磁控溅射靶的依据。如靶的几何参数、永久磁铁的剩磁、靶 一基片距离、靶与周围零件的设置及屏蔽罩的安装位置等。由于掌握了磁感应强度b 的分布及大小，因而可方便地确定诸如电压、功率、气压等参数。为改善圆形平面磁 控溅射靶的性能，提高靶材利用率，两人还介绍了三种改进型靶的设计方案如图1 1 1 3 所示。 图1 1 电磁场调节型靶的结构示意图 1 轭铁2 靶外壳3 磁环4 一水冷系统5 靶6 电磁线圈7 磁柱8 屏蔽罩 f i g 1 1s t m c t u r ed i a 伊a mo fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt a 略e t 1 。m a 髓e t i cv i b f a t i n gf e e d e ry o k e2 - t a q 萨ts h e u3 一r i n gs h a p e dm a 印e t4 - w a t e rc 0 0 l i n gs y s t e m 5 一t a r g e t 瓴l e c t r o n q a g n e t i cc o i l7 q l i n d r i c a l 眦鲈e t8 一s h i e l d i n gc 蹴 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 2 辅助永久磁场型靶结构示意图 f i g 1 2s t l l l c i u r ed i a g r a m o fa u x i l i a r yp e 册a n e n tm a g n e t i cf i e l dt a r g e t 图1 3 特殊极靴型靶结构示意图 1 轭铁2 靶外壳3 磁环舢水冷套5 环状极靴6 密封圈7 一靶 8 磁柱9 块状极靴1 0 螺钉1 1 固定块1 2 一挡片1 3 一螺钉1 缸压环 f i g 1 3s t n l c t u r cd i a 伊a mo fs p e c i f i cp o l es h o et a 玛e t 1 - m 她皿e t i cv i b r a t i n gf e e d e ry o k e2 一t a r g e ts h e u 3 一r i n gs h a p e dm a g n e t 4 - w a t e rc o o l i i l gs h e n 5 嗣n gs h a p e dp o l es h o c6 辩a l 血g 7 t a 曙e t8 - c y l i n d 疵a lm a 髓e t 9 m a s s i v ep o i es h o e 1 0 一s c r e w1 1 - f e db l o c k 1 2 - s e p a r a t i o nb l a d e s 1 3 一s c r e w 1 4 c h u c k 血g 穆莉兰、童洪辉等人根据上述等效电流磁场计算法对圆形平面磁控溅射靶进行了 优化设计f 1 3 】，如图1 4 所示，溅射靶边缘磁环截面为矩形，能在靶面形成环状拱形磁 力线，进水管2 和回水管3 的冷却水对磁体有良好的冷却效果，在环绕磁体及磁体后 方设置的扼铁1 3 起增强平行于靶面的磁场强度，及降低垂直于靶面的磁场分量和外侧 漏磁，防止边缘打火。靶各部分零件紧密配合，结构紧凑。 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 冷却水 图1 4 圆形平面磁控溅射靶的结构图 1 螺钉2 进水管3 同水管4 绝缘管5 屏蔽管6 螺钉7 后盖8 一绝缘垫9 一螺钉1 0 螺母1 1 一 靶体1 2 屏蔽罩1 3 均巨铁1 4 磁柱1 5 环形磁铁1 6 - 密封圈 f i g 1 4s t m c t u r cd i a 伊a mo fc i f c u l a rp l a n em a g n e t r o nl a 玛e t 1 一s c r e w2 一i n t a k ep i p c3 - o u t l e tp i p e4 一i n s u l a t e dt u b e 5 - s h i e l d i n gt u b e 6 - s c r e w 7 - r e a rc o v e r8 i n s u l a t i n gg a s k e t9 一s c r e w1 0 - n u t 1 1 - t a r g e tb o d y1 2 s h i e l d i n gc a s e 1 3 一m a g n e t i cv i b r a t i n gf e e d e ry o k e1 4 一c y l i n d r i c a lm a g n e t1 5 r i n gs h a p e dm a g n e t 1 6 - s e a lr i n g p r a x a i rm r c 的r e a l i t y 1 m s p u t t e rt a r g e t ”技术【1 4 1 ，通过优化设计能将靶材利 用率提高3 0 。其中“环状增强铝合会靶( r i n g e n h a n c e da l u m i n u m 趾l o yt a 唱e t ) 是一种圆形靶，它是通过研究普通靶的刻蚀形貌而设计出来的。实验证明该靶与普通 靶相比在溅射速率、膜层均匀性和靶材利用率等方面都具有相当的优势。在图1 5 中 还提出了一种新的扩散结合( d i f f u s i o n b o n d e d ) 钛靶结构，很容易看到，在靶面刻蚀方 面它与普通钦靶有着明显不同，靶材利用率提高了。 麴射擒槽蠢射箨捆 r = 二= ；，= = = ；7 高纯技 = = = 二二二= 二二二二二二= 二 镬 图1 5 普通的钛靶和扩散结合钛靶的剥蚀形貌比较 ( 上图是普通钛靶，下图是扩散结合钛靶) f i g 1 5c o m p a r i s o no fe r o s i o np r o f i ko fg e n c m l t “a n i u mt a 略e t a n dd i e i l s i o nb o n d e dt i t a n i u mt a i l g e t 以前的圆形平面磁控溅射靶是靶内永磁体固定的情况，人们一般通过改善永磁体 的形状及布置形式来调整磁场分布以达到获得均匀磁场的目的。后来出现了永磁体移 动的靶结构，这种结构在国内外的专利中比较多见。 - o 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 m a s a t a k a w a t a n a b e ，s a t o s t l io k a z a l ( i 等人提出了一种靶的结构【1 5 】，如图1 6 所示， 磁控溅射靶有两部分磁钢，分别为半圆柱形和环形结构，环形磁钢固定在溅射靶材周 围，半圆柱形磁钢则可以围绕圆柱中心做圆周旋转，此种结构保证了每一时刻靶面溅 射的位置不同，靶的冷却比较充分，靶面能够承受更大功率的溅射，同时它又具有靶 材利用率高的特点。 图1 6 m a s a t a k aw a t a l l a b e 等人提出的溅射系统 1 半圆盘形磁钢2 环形磁钢3 靶4 基片5 靶电极6 基片架7 - 充气口 f i g 1 6m a 印e t r c ns p u t t 翻n gs y s o e mp r o p o s e db ym a s a t a l ( aw a t a i l a b e ，e c c l s e i i l i c i r c u l a rd i s ks h a p e dm a 孕l e t 2 莉n gs h a p e dm a 盟e t3 一t a ：曙e t 4 s u b s 灯a t e 5 - t a 唱e te l c c 廿o d e6 一跚b s 缸a t eh o l d e r7 - r t 热c t i o ng a u ss u p p l y 日本c t o r 公司的做删i s 出在2 0 0 6 年也提出了一种带有旋转磁场结构的圆 形平面靶【1 6 】，如图1 7 所示，柱状永磁钢9 与环状永磁钢1 0 端部为倾斜的切面形状， 且环状磁钢的磁场强度比柱状磁钢的磁场强度弱，两磁钢安装在圆形磁钢座上，工作 时电机带动磁钢座转动。由于磁钢为倾斜的截面，因此在工作过程中靶材附近的磁场 是时刻变化的，使靶材表面刻蚀均匀。另外可以通过改变磁钢斜切面的角度、磁钢转 速以及磁场强度来获得最佳效果。如图1 8 为工作过程中磁场分布及刻蚀情况。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ” 2 3 7 图1 7t a k a y u k il s e 垴提出的旋转靶结构 1 真空室2 靶材3 阴极4 基片5 基片架6 驱动轴 7 旋转控制器8 极靴9 一圆柱磁钢l o 环形磁钢l l 垓0 蚀区域1 2 磁力线 f i g 1 7r d t a t i n gt a 唱e tp r o p o s e db y1 狄a y u hi s e k i l v a c u u mc h a m b e r2 一t a 曙e t3 c a n l o d e 禾s u b s 位a t e5 s u b s 仃a t eh o l d e r 6 d r i 恤gs h a f t 7 - r o t a t i o nc o n 缸d l l 盯 8 - p o l es h o e9 y i i n d r i c a ls t l p e dm a 印e t 1 0 - r i n gs h 印e dm a 弘e t l l e t c h e da r e a s1 2 - m a g n e t i cl i n e so f f o r c e r 2 ：! 妥斗： ， 也 、”b ”、t 叫 1 ，以挲么 、，7 1 泓铹 、l l 石厂 儿q 沁 _爿 l l 1f f 1 00 ( a ) 生， 1 曩， d 1 ，监、i 伯 r ( ，一怵下一一 孓 、l 龙搿翻、厂蚴 i _ l ， ， i 段一 且 、x l l、， 、 ooi ( b ) 图i 8 旋转靶工作过程中磁场分布及刻蚀情况示意图 f 谵1 8m a 盘l 晚cf i e l dd i s 试b u d o na n de 诎洫gs t a t 吣i nw c 咄舯) c e 踞 - 6 b 0 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 电子科技大学的杨传仁和唐章东提出了一种旋转磁场圆形平面靶的结构1 1 7 l ，如图 1 9 所示，在纯铁材料制作的磁钢底板上偏心安置3 个磁钢，磁钢中心构成等边三角形。 由于采用了偏心安置的旋转磁钢，使得靶材经长期使用后，在靶材上形成的不再是环 形刻蚀沟槽，而是一个较大范围的坏带状均匀刻蚀区域( 均匀刻蚀区间大致在中7 0 m m 一1 9 0 m m 左右) ，从而大大地提高了靶材的利用率；采用旋转磁钢所产生的旋转磁 场所能够控制的溅射区域比采用扼型永久磁铁所产生的磁场所能够控制的溅射区域更 大，使得相同条件下靶材中被溅射出的粒子数更多，从而提高了溅射速度；另外，旋 转磁钢所控制的溅射区域的磁场强度更为均匀，使得整个溅射装置的成膜均匀性更好， 可以实现大面积均匀镀膜。 图1 9 旋转磁场平面靶磁钢结构图 1 磁钢外环2 均匀刻蚀区域( 或磁控区域) 3 磁钢底板牛磁钢内芯 f i g 1 - 9m a g n e ts t n i c t i i r eo fr o t a t i n gm a g n e t i ct a r g e t 1 叼u t e rr i n go fm a g n e t2 - u n i f 0 咖e t c h e da f e a ( 0 fm a g n e t i cc o n t r o la r e a ) 3 一m a g n e tb a s e 4 i 仰e rm a g n e t 国内在靶的分析设计方面与国际先进水平之间还存在比较大的差距，国内企业如 果仅仅是单纯地仿制国外的靶设计结构，一方面很难达到该设计的预期效果，同时长 此以往很难同国外企业进行竞争，如果买国外公司的设计，一方面价格过高，同时也 使自己在关键性技术上受制于人1 1 8 】。因此靶的自主设计具有十分重要的意义。 1 2 2 膜厚均匀性研究现状 薄膜均匀性是影响薄膜性能的重要因素，薄膜厚度直接影响薄膜以及薄膜器件的 一致性。为了制备大面积均匀且批量一致性好的薄膜，可以通过调整靶基距、基片运 7 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 动方式、增加挡板机构以及外加磁场来优化膜厚分布。近年来对磁控溅射薄膜厚度分 布，国内外许多学者也进行了广泛的研究，关于磁控溅射薄膜的厚度分布模型，已有 较多的文献进行了讨论f 1 9 4 。 x q m e n g l l 9 】研究小组为了达到制备大面积均匀薄膜的目的，根据实际磁控溅射情 形从理论上推导出薄膜厚度分布公式。根据他们的公式可得：基片距离靶越远，薄膜 的均匀性越好。一般在距离l o 8 r 2 ( r 2 为靶上刻蚀环的外径) 时，薄膜的均匀性己 非常好。同时，作者还指出：轰击靶材的入射粒子的能量与薄膜的沉积速率、均匀性 之间无紧密关系。 q i - h u af a n 等人【2 0 l 在一种高靶材利用率的溅射设备一s m m s ( s y m m e t r i c a lm a g n e t m a 9 1 l e t r o ns p u t t e r i n g ) 系统的基础上，建立数学模型并编程计算，得出在这样一个特殊 的溅射系统中，溅射c u 时溅射原子的角分布，同时计算了不同靶基距下的薄膜厚度 分布，并指出该模拟方法同样适应于其它的溅射系统。 外加磁场对薄膜厚度均匀性也有着重要的影响1 2 ，通过外加磁场进行溅射镀膜， 就是将靶内磁场屏蔽，在基片下放置磁铁，让来自基片下的磁场发挥磁控作用。通过 仔细的测量发现：靶面被刻蚀的状态比普通磁控溅射均匀的多，刻蚀深度从边缘到中 间逐渐增大，在靶面并没有出现通常的刻蚀环，因此这种磁控配置还大大提高了靶材 的利用率。 台湾的c h e n g c h u n gj a i n g ，m i n g h 、硼c h e n g 等人f 矧利用反褶积方法测量分析等 离子体发射范围，并用阿贝尔逆变换算法( a b e l i n v e r s i o nm e t h o d ) 进行计算模拟，然 后利用余弦定理计算了膜厚分布情况，实验结果与模拟结果相一致。 不同磁控溅射模式下的薄膜厚度分布也不相同，对于平衡磁控溅射和非平衡磁控 溅射，磁场分布是影响两种磁控溅射膜厚分布差异的主要因素；非平衡磁控溅射膜厚 分布均匀性随着附加励磁线圈电流的改变而变化【2 3 1 。 同时，靶面的溅射刻蚀现象对薄膜的厚度分布也有很大的影响，当靶面出现刻蚀 坑时，薄膜厚度均匀性将会变差，但此时薄膜相对厚度要高于靶面无溅蚀坑的情形， 即薄膜的沉积速率提高了，这是由于靶面溅射坑出现改变了靶面入射粒子的溅射产额 和靶材出射粒子的出射方向所致【2 4 1 。华中理工大学的胡作启等人瞄】根据圆形平面磁控 溅射靶的刻蚀现象与磁控磁场的关系，建立了一个理论计算模型，进一步讨论了磁控 溅射薄膜的厚度分布，得知靶基距是控制薄膜厚度分布的重要因素，并得出制备大面 积薄膜必须满足的条件：根据靶材的不同( ( n 值的不同) 和磁控磁场水平分量的分布， 适当地选择靶基距。一般来说，n 值小的靶材，取较小的靶基距，反之则否。 上海光学精密仪器研究所的范正修等人系统地论述了磁控溅射薄膜的厚度分 布，从理论上分析了固定基片、基片转动以及自转加公转三种状态下的膜厚分布。计 1 k 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 算结果表明，膜厚分布很大程度上取决于基体高度。适当调节基体高度和靶的距离， 可以得到很好的膜厚均匀性，并得到了实验的验证。 以前大多数研究人员所研究的系统都是基片固定不动的情况，由于这种结构的系 统制备的薄膜均匀性不是很好，越来越多的人开始采用基片可以旋转的系统。最初的 系统只有基片架的转动，而基片本身对基片架没有相对运动，由于溅射靶的位置在真 空室内固定不动，这样就造成基片上不同位置受到溅射粒子不同程度的轰击，即基片 架每旋转一周，基片上某一点都始终相对于溅射靶处于同一位置，这就造成同一基片 上不同位置的膜厚不均匀。后来出现了基片架公转、基片本身自转的结构，使膜厚均 匀性有了明显的改善。 电子科技大学的杜晓松【2 7 】等人通过对基片转动中心偏离靶中心的离轴溅射的研 究，采用理论计算的方法分析了离轴溅射的膜厚分布，归纳出了膜厚分布的普适公式。 陈毓宛等人l 冽改进了d m d 4 5 0 镀膜机钟罩内的工件架机构，在原来工件架公转 基础上实现了被镀工件的自转运动。工件座的上端外缘铣成如图1 1 0 所示的结构，每 个工件座形成六个带有凸起的缘，当工件盘围绕转动中心转动时，凸缘碰到固定在机 器上的拨杆，由于拨杆固定不动，于是工件座围绕自己的中心转动一定的角度，工件 座转动的角度由拨杆与凸缘接触点的位置所决定。这种改进方法一定能够程度上提高 了膜厚均匀性，但由于基片自转是间歇性的，而且基片的转速、位置无法精确控制， 所以膜厚质量的提高是非常有限的。 中 图1 1 0d m d 4 5 0 镀膜机工件架的改进 f 远1 1 0l m p r o v e m e n to fw o r kr c s to nd m d _ 4 5 0 c o a t e r 基片可公、自转且速度可调的磁控溅射系统可以用于制各大面积高质量的铁电薄 膜。电子科技大学的硕士研究生韩雷刚基于这种磁控溅射镀膜系统，通过分析研究 及计算机模拟，建立了膜厚分布与靶基距和公、自转相对速度的理论计算模型，并通 过实验验证，理论与实验基本吻合。 9 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 m p a n j a n 等人【删通过计算机模拟了利用如图1 1 1 所示基片旋转机构沉积 c r n t i a l n 薄膜的情形，结果表明采用双重旋转机构所镀的膜厚均匀性基本一致，而 采用三重旋转机构所镀的膜层的厚度呈周期性的变化。在相同的沉积时间里，采用双 重旋转的膜层要厚些。实验结果与模拟结果相一致。 公a 一咖譬。o 高q “萨 图1 1 l 沉积c r n t i a l n 的c c 8 0 0 系统原理图 f i g 1 1 1t h ep 血c i p l e0 fc c 8 0 0s y s t e mu s i n gf o rc o a t i n gc r n t 认l n 综上所述，可以通过多种方法来提高膜厚均匀性，但还没有人在小靶大基片的前 提下研究膜厚均匀性，因此通过基片旋转机构设计研究此前提下的膜厚均匀性是很有 意义的。 1 3 课题的研究内容 ( 1 ) 小圆平面磁控溅射基片运动装置的设计。采用行星式工件架是人们普遍使用的 一种方法，本文根据小圆平面靶磁控溅射的具体情况，根据机械传动原理，设计出既 能实现基片原位自转，又能实现公转自转复合运动的旋转机构，为利用小圆平面靶获 得大面积均匀的薄膜提供机械结构上的前提。 ( 2 ) 小圆平面磁控溅射薄膜厚度均匀性研究。本文所研究的圆形平面磁控溅射靶的 面积较小，为了实现其在大面积基片上镀制均匀薄膜的目的，我们将小圆平面靶与基 片偏心布置，并将溅射靶设计成靶基距可调的结构。对于所设计的平面磁控溅射装置， 建立数学模型，模拟出基片旋转时薄膜厚度的分布。 ( 3 ) 利用所建立的数学模型，通过计算，分析了靶基距，偏心距，自转与公转的转