（精密仪器及机械专业论文）磁约束控溅射源设计.pdf

磁约束磁控溅射源设计学科：精密仪器及机械研究生签字：袁是弓指导老师签字：乡孳橥摘要i u ll l li l l1i ii il ll ltlly 17 5 0 0 2 4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。由于磁控溅射镀膜技术具有很多优点，比如沉积原子( 离子) 能量高，生成的膜层致密度高，膜层附着力强且应力小等优点，故其已经成为镀制薄膜的主要技路径。但靶材利用率低一直是磁控溅射镀膜工业的主要难题，通常靶材利用率在2 0 , - - - 3 5 ，多年以来研究人员一直通过各种途径提高靶材利用率。所以如何提高靶材利用率成为一个重要课题。本文以磁约束原理作为理论基础，研发设计了一款新型磁控溅射源来提高靶材的利用率。此溅射源采用磁镜原理将等离子体约束在靶的上方，这样靶材刻蚀区域就不是传统的“跑道环”形式，而是整体刻蚀的全新形式。本设计使用a n s y s 有限元分析软件对磁场进行模拟仿真，并在此基础上完成了磁场设计、电场设计和靶的结构设计，并加工出原理样机，选用纯铝作为靶材在真空室中对实验装置进行试验测试。实验结果表明：磁控溅射源的工作状态稳定，与传统磁控溅射源的刻蚀效果相比有很大改善，靶面没有“跑道环”出现，刻蚀区域为整个靶面。当靶面磁场强度为3 7 4 5 m t 时，气体压强3 1 p a ，输出电压3 5 0 v ，输出电流o 6 a 时溅射源工作最稳定，刻蚀区域面积最大，靶面整体刻蚀。关键词：磁控溅射；磁场；磁约束；有限元；靶材利用率一t h ed e s i g no fm m a g n e t i cc o n f i n e m e n tm m a g n e t r o ns p u t t e r i n gs o u r c ed i s c i p l i n e ：p r e c i s i o ni n s t r u m e n ta n dm a c h i n e r ys t u d e n ts i g n a t u r e ：了硫一互is u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：删。& ，跏a b s t r a c ta tp r e s e n t ，m a g n e t r o ns p u t t e r i n gw i d e l ya p p l i e dt ot h es u r f a c em o d i f i c a t i o n ，d e c o r a t i v ef i l m ，o p t i c a lt h i nf i l m ，s u p e r c o n d u c t i n gt h i nf i l m sa n df u n c t i o ni nt h ep r e p a r a t i o ne t c b e c a u s em a g n e t r o ns p u t t e r i n gf i l mt e c h n o l o g yh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha st h eh i g he n e r g yo fs e d i m e n t a r ya t o m s ( i o n s ) ，t h eh i g hd e n s i t yo fm e m b r a n el a y e r ，t h es t r o n ga d h e s i o na n ds m a l ls t r e s so ff i l m ，s oi th a sb e c o m et h em a i nt e c h n o l o g yo ft h i nf i l mc o a t i n g b u tt h el o wu t i l i z a t i o nr a t i oo ft a r g e ti st h em a i np r o b l e mi nt h ei n d u s t r yo fm a g n e t r o ns p u t t e r i n gf i l m ，u s u a l l yi n2 0 35 f o ry e a r s ，r e s e a r c h e r sh a v e b e e nt h r o u g ha l lk i n d so fw a y st oi m p r o v em a t e r i a lu t i l i z a t i o nr a t i o t h e r e f o r e ，h o wt oi m p r o v et h em a t e r i a lu t i l i z a t i o nb e c o m e sa ni m p o r t a n ti s s u e b a s e d o nt h ep r i n c i p l eo fm a g n e t i cc o n f i n e m e n t sa st h e o r e t i c a lb a s i s ，w ed e s i 鲫an e wm a g n e t r o ns p u t t e r i n gs o u r c et oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o no ft a r g e t t h ep r i n c i p l eo fm a g n e t i cm i no rw a su s e s di nt h es p u t t e r i n gs o u r c e ，w h i c hc o n f i n e m e n tt h ep l a s m aa b o v et h et a r g e ta r e a , s ot h ea r e ao fe t c h i n gt a r g e ti sn o tt h ef o r mo fr u n w a yr i n g b u tt h ew h o l en e wf o r m so fe t c h i n g t h i sd e s i g nu s et h es o f t w a r eo fa n s y st os i m u l a t em a g n e t i cf i e l d b a s e do nt h es i m u l m i o n ，w ec o m p l e t et h em a g n e t i cf i e l dd e s i g n ，c o m p l e t i o no fd e s i g na n dd e s i g nt a r g e t a n dm a n u f a c t u r ep r i n c i p l ep r o t o t y p e t h ee x p e r i m e n t a ld e v i c ew h i c hu s e sp u r ea l u m i n u ma st a r g e ti st e s t e di nt h ev a c u h 1c h a m b e r e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ew o r k so ft h es o u r c eo fm a g n e t r o ns p u t t e r i n gi sg o o d ，a n dc o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lm a g n e t r o ns p u t t e r i n gs o u r c e ，t h ee f f e c to fe t c h i n gh a v ei m p r o v e dal o t m e a n w h i l e ，t h er u n w a yr i n go ft a r g e ti sd i s a p p e a r e da n de t c h i n ga r e af o rt h et a r g e ts u r f a c e w h e nt h et a r g e ts u r f a c em a g n e t i cf i e l di n t e n s i t yf o r37 - 4 5 m t , g a sp r e s s u r e3 1p a ，t h eo u t p u tv o l t a g ei s35 0 va n dc u r r e n to u t p u ti s0 6a w o r k i n go fs p u t t e r i n gs o u r c ei st h em o s ts t a b l ea n de t c h i n ga r e ao ft h et a r g e ts u r f a c ei st h ew h o l ek e yw o r d s ：m a g n e t r o ns p u t t e r i n g ；m a g n e t i cf i e l d ；m a g n e t i cc o n f i n e m e n t ；f i n i t ee l e m e n t ；t h eu t i l i z a t i o nr a t i oo ft a r g e t目录1 绪论11 1 真空镀膜技术：11 1 1 物理气相沉积( p h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o np v d ) l1 1 2 化学气相沉积技术( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o nc v d ) 21 2 磁控溅射技术发展现状及应用31 2 1 磁控溅射技术31 2 2 磁控溅射技术的发展现状及应用31 3 研究内容及方法101 3 1 研究内容简介1 01 3 2 研究方法1 01 4 本文内容安排102 原理及理论分析一1 22 1 磁控溅射的工作原理1 22 2 磁约束原理1 32 3 理论分析132 3 1 磁约束磁控溅射源1 32 3 2 磁约束磁控溅射源的理论验证1 42 4 本章小结153 殳计163 1 磁场的设计1 63 1 1 磁场及其计算方法1 63 1 2 模拟仿真方法介绍一2 23 1 3 磁场的仿真模拟可行性的验证二2 33 1 4 磁场的仿真设计3 13 2 电场的设计3 23 - 3 靶的设计3 33 3 1 靶的分类与设计原则3 33 3 2 靶的设计3 53 4 冷却系统的设计3 53 4 1 靶材的冷却系统3 63 4 2 磁铁的冷却系统一3 73 5 气路系统的设计3 73 6 绝缘与密封的设计3 83 6 1 绝缘性设计3 83 6 2 密封性的设计3 93 7 壳体结构设计4 13 8 本章小结4 24 实验测试一4 44 1 弱磁场约束方式4 54 2 较强磁场约束方式4 74 3 强磁场约束方式4 84 4 导磁板加宽5 04 5 中f s j 力h 强磁场的方式5 24 6 两边加强型磁场5 34 7 本章小结5 45 结论5 55 1 结论5 55 2 后期工作展望5 5参考文献5 7攻读硕士学位期间发表的论文6 1致谢6 2学位论文知识产权声明6 3学位论文独创性声明一6 41 绪论1 1 真空镀膜技术真空镀膜技术按其成膜的基本原理和材料源的结构特点分类为：物理气相沉积技术和化学气相沉积技术。1 1 1 物理气相沉积( p h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o np v d )1 ) 热蒸发热蒸发工艺是最成熟、应用最广范的真空镀膜技术。热蒸发工艺采用各种形式的热能使固态材料源转化为具有一定热动能飞气态粒子，最后沉积到基片表面。所以，他的特点是：( 1 ) 材料源( 被镀材料) 的物态变化需要加热到较高的温度。( 2 ) 热蒸发工艺总的来说是一个“点”源。点源是相对被镀面积而言，蒸发源的二维尺寸对于被镀面积( 工件或工件架) 的二维尺寸要小得多。那么蒸发源一定是一个发散束，这就存在一个沉积均匀性的问题，蒸发源的沉积均匀性与发散角之间有e o s 0 3 分布的关系，为了得到最大的均匀沉积面积，采取若干措施：偏置、工件架旋转、源片距离不能太小，局部遮挡等等。( 3 )热蒸发工艺中沉积粒子的动能只有0 1 0 2 e v 左右，动能小使得蒸发过程中沉积粒子对于基片表面的加热现象较小，同时源一片距比较大，蒸发源表面的热辐射对基片表面的加热效应也比较小。但是，由于沉积粒子的动能小，导致膜层与基片表面的附着力较差、膜层结构疏松、膜层结构的缺陷比较多。所以；在蒸发装置中基片几乎不需要冷却，反而需要加热【1 。2 1 。2 ) 溅射溅射的原理已经证实：与熔化一气化物态转化的概念无关。溅射是轰击粒子( 离子)与靶材表面原子动量交换，使靶材原子获得足够能量脱离母靶材表面，并按相应的溅射方向飞跃到基片表面再沉积的过程。它的特点归纳为以下几条：( 1 ) 靶材表面在正常情况下没有熔化过程，所以，真空室内靶可以安放在任何方位。( 2 ) 溅射靶可以看成是一个线源( 或者一个面源) ，一个矩形靶其长度方向原则上可以做的很长，超过工件的宽度。( 3 ) 靶一片距离较近。( 4 ) 被溅射材料的适应性广泛，高熔点材料、金属与合金材料、化合物材料、陶瓷材料、几乎所有的固态材料( 包括磁性材料) 都可以进行溅射镀膜。( 5 ) 溅射粒子的初始动能较大，其离化率也比蒸发工艺要高，所以，溅射膜层的附着力、膜层密度要比蒸发膜层要好。( 6 ) 由于溅射工艺中沉积粒子能量高，基片温升明显地比蒸发工艺要高，典型值为：2 5 0 3 5 0 左右。两安：业大学硕十学伊论文( 7 ) 溅射工艺的工作压强比蒸发工艺低一个数量级以上，因此，溅射工艺充入的工艺气体纯度可能对膜层有不利的影响，而膜层的含气量比蒸发膜层要高。溅射工艺中靶功率密度低是一个致命的缺点。溅射靶施加的功率密度通常只有2 1 0 w c m 2 左右比较高的要求也不过在2 0 w c m 2 ，所以，溅射成膜速率通常比蒸发低一个数量级，只有在磁控溅射技术兴起之后，溅射速率能接近1 # r a i n 时，溅射技术才有可能达到工业化生产的要求【3 】。3 ) 等离子体弧镀技术等离子体镀膜技术也叫电弧离子镀，主要工作原理主要是基于冷阴极真空电弧放电理论。在放电过程中，阴极材料大量蒸发并被电离，在阴极表面形成的正空间电荷层产生强电场，使阴极表面存在的微凸起尖端产生高电流密度的场致发射，由于电流局部产生的焦耳热使温度上升又产生热电子，场致发射转化为热场致发射，进而微凸起蒸发并被电离，在阴极表面形成更高密度的等离子体，进一步增强电场和热场致发射。电弧离子镀的主要特点是：( 1 ) 结构简单，操作方便。( 2 ) 弧蒸发源可以任意放置，同时也可以根据需要采用多个电弧蒸发源同时工作。( 3 ) 离化率高，一般可以达到6 0 8 0 ，有利于镀层的均匀性和提高附着力，是实现“离子镀膜”的最佳工艺。( 4 ) 蒸发速率快。( 5 ) 电弧伴随着金属溶滴，影响膜层质量【4 巧 。1 1 2 化学气相沉积技术( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o nc v d )应该说，化学气相沉积技术比物理气象沉积技术的覆盖面要宽广很多，也复杂很多。总的来看，化学气象沉积与物理气相沉积相比较有如下若干特点：( 1 ) c v d 膜多数是敷型薄膜，而p v d 膜通常只有面对材料源的表面成膜，其他方位的表面没有均等的机会，即使成膜也是非常少。( 2 ) c v d 成膜均匀性的条件首要是：气流成膜。只有少数使用等离子体增强工艺的c v d 工艺，由于引入其他物理手段，是成膜均匀性才不但与气流模型有关，而且与电场、基片运动方式等因素有关。( 3 ) 一般来说：c v d 膜比p v d 膜的缺陷少、应力小。( 4 ) c v d 材料源和反应生成物具有腐蚀性和毒性，并会对设备结构造成损害、对人体带来损伤等。( 5 ) c v d 的材料可以是固态、液态或气态的，但是在进入真空室之前都要将其气化，再进行配比、混合共同进入真空室，或者说c v d 的材料源系统在真空室外。而p v d 的材料源在真空室内就地气化，配比。( 6 ) c v d 工艺通常需要进行尾气处理系统。化学气相沉积技术主要包括：热化学气相沉积；等离子体增强型化学气象沉积；激光化学气相沉积；金属有机化合物化学气相沉积；等离子体聚合等技术【6 8 】。1 绪论1 2 磁控溅射技术发展现状及应用1 2 1 磁控溅射技术1 8 4 2 年，格洛夫( g r o v e ) 在实验室中发现了阴极溅射现象。他是在研究电子管阴极腐蚀问题时发现阴极材料“迁移到真空管玻壳内壁上来了。这一发现比1 8 5 0 年法拉第( f a r a d a y ) 发现真空沉积现象还要早1 0 年左右，这可能与早期真空获得比较困难有关。若干年后，真空度达到1 0 之p a 了，真空蒸发现象才能显示出来。1 8 7 0 年之后，陆续有研究溅射镀膜的实验报告出现。1 8 7 7 年雷特将二级溅射技术用来制备镜面反射膜，应该是溅射技术实用化的开始。1 9 世纪中期，只是在化学活性极强的材料、贵金属材料、介质材料和难熔金属材料的薄膜制备工艺中，采用溅射技术。1 9 7 0 年后出现了磁控溅射技术，1 9 7 5 年前后商品化的磁控溅射设备出现，从此掀起了磁控溅射技术和装备快速发展的新高潮。定位这个时代的标志是：磁控溅射金属铝的成膜速率达到或者接近热蒸发技术的成膜速率：1 u m i n 。到了8 0 年代，溅射技术才从实验室应用技术真正地进入工业化大量生产的应用领域。1 2 2 磁控溅射技术的发展现状及应用1 ) 磁控溅射技术的发展现状二十世纪中期以半导体和集成电路技术的兴起促进材料科学表面技术的蓬勃发展，学术界大做文章，产业界急需薄膜材料。形成了溅射技术得以快速发展的环境和市场背景。从二十世纪二十年代开始，溅射技术沿着“增加空间离化率一提高溅射成膜率”这样一条途径，由二极溅射到三极溅射到四极溅射艰难而缓慢地发展着。这条路的共同点是：利用外加辅助能源的激励来增加空间离化率，从而增加溅射成膜速率。另一条路是利用辅助磁场对等离子体的“约束”作用，就地浓缩高密度的等离子体区域，形成局部区域的高速率溅射，以达到整体溅射速率提高的目的 8 】。磁控溅射技术经过多年的发展，已经成为镀制光学薄膜、半导体薄膜、超导薄膜等的主要技术之一。二十世纪九十年代以来，人们在围绕提高靶材利用率及溅射效率等方面取得了很多的成就，一些新型的磁控溅射设备被研制出来，成为镀膜工业各个发展阶段的里程碑标志，虽然大多数都是国外的研究机构或公司的产品，但这对中国的镀膜产业也是一个很大的促进作用，许多国内研究机构如清华大学、东北大学等也都开发了自己新型设备。为提高化合物和介质膜的成膜速率同时控制膜层组分和结构，b w i n d o w 首先提出了“非平衡磁控溅射”的概念【9 以们。如图1 1 所示，磁场的分布并不是闭环形式的，所以磁场的分布并不局限在便面的周围，而是扩大到基片附近。从宏观现象来看，平衡磁控溅射的辉光区是覆盖靶材表面的等离子体环( 跑道环) ，基片与辉光区光环之间有一段距离是黑暗的。非平衡磁控溅射的等离子体发光去域则扩展到包容基片在整个空间。平衡磁控溅射中黑暗的那一段空间在非平衡磁控溅射情况下发生了什么呢? 逃逸出来的二次电子还阳安一i ：业人学硕十学位论文有一点产生电离的能量，它促使原来黑暗空间的气体电离( 所以也发光了) 。另外，凡是暴露在等离子体内的表面总是具有一个不同于等离子体的电位，基片和阳极的电位比等离子体点位要负十几个电子伏左右，这一负电位将吸引那些额外产生的粒子轰击基片，同时二次电子最终带着它最后的那点能量轰击到基片表面上。基片表面承受附加的能量轰击( 并不太大) ，产生对膜层质量有明显改善的效果。利用靶内部磁体的相对移动可以实现在磁控溅射过程中平衡或非平衡的的任意调节，这就是非平衡磁控溅射优点的主要体现。图1 1 非平衡磁控溅射示意图为了镀制两种材料的合金薄膜且能连续调整两种材料的比例，寻找最佳配比的合金组分，建立了非堆成磁控溅射技术。两个靶对准同一工件镀膜的布局称为共溅射，其时制备二元以及多元合金薄膜的一种方法。如图1 2 所示，非对称磁控溅射用方波脉冲电源向a 、b 两个靶供电，调节供电正负波形的幅宽，使两个靶的溅射速率不同，来控制膜层中a 、b 含量的比例【i l 】。图1 2 非对称磁控溅射示意图基片a为有效抑制反应磁控溅射镀膜中的“靶中毒”现象，并克服射频溅射和直流反应溅射存在的不足，s c h i l l e r 提出了脉冲磁控溅射技术【1 2 】。这种溅射方法既可以单向脉冲是紧挨于一个磁控靶上，也可以双向脉冲施加于两个相邻的靶上，即孪生靶磁控溅射( t w i n m a g ) 。4阶段的标志。如图1 3 所示，此交流磁控溅射源采用频率约4 0 k h z 的中频交流电源，双靶互为阴、阳极，基片与其他结构件都不和电源连接，没有通常的阳极，所以解决了阳极消失而导致的靶中毒问题。采用适当的反应气体馈入控制手段( 脉冲送气控制) 能够将反应溅射的工作区稳定在中毒曲线的拐点附近，沉积速率虽然低于金属镀膜的速率，却远远大于完全化合物靶材镀膜的速率，一般来说，可以达到比完全化合物靶材( 或靶中毒状态)的镀膜速率高3 1 0 倍的效果。双靶的等离子体区域通常包容了基片镀膜的空间，基片在成膜过程中也遭受一定数量的粒子轰击和电子轰击，体现出离子辅助镀膜的效果，提高了膜层沉积速率，改善了膜层质量。电源图1 3 孪生靶磁控溅射示意图深圳豪威真空光电子股份有限公司与清华大学电子工程系合作，在结合国外技术自行开发的氧化铟锡( i t o ) 膜与二氧化硅膜联镀生产线上应用中频双靶磁控反应溅射来制备二氧化硅膜，并率先实现大批量生产i l 引。为了得到更好的成膜质量，离子辅助镀膜技术( i o n a s s i s t e dd e p o s i t i o n ) 应运而生，简称i a d 技术。界定i a d 的条件是：在基片与溅射源之外提供一个独立运作的离子源；这个离子源的离子能量和粒子流密度时可以在一定范围内调节的；攻击基片的离子和沉积原子同时到达基片表面，轰击离子参与膜层沉积的全过程1 1 4 。1 引。2 ) 磁控溅射技术的应用从磁控溅射技术产生至今，人们对它的研究都是围绕在靶材利用效率，溅射速率以及镀制膜层的质量等问题。靶材利用率低一直是困扰磁控溅射技术的主要问题，如何设计一款高溅射率的离子源成为许多研究机构和一些大型镀膜企业的主要研究方向。在设计中，靶的设计( 包括磁场的设计、电场的设计及靶的设计) 是核心技术。如何应用磁控溅射的原理最大限度地提高靶的工作性能，制备出致密度高、均匀性好、应力小的薄膜是所有研究者的共同心愿。许多研究机构及个人都从不同角度提出了自己的设计。s o l e r a s 公司的“分流设计”( s h u n t e dd e s i g n ) 1 9 2 0 ，如图1 4 所示，将高磁导率薄两安r 业火学硕十学位论文片放置在磁铁上方，靶材的底部。从图1 4 a 与图1 4 b 的对比我们可以看到，加装导磁片后磁场的分布有所改变，靶面磁场比以前平滑了很多。靶面水平磁场范围的扩大使等离子体的分布更加均匀，靶面溅射区域也相应的扩大，所以靶材的刻蚀沟槽会相应的变大，坡度更缓和。综上所述，分流设计的优点主要为：通过加装导磁片改变磁场，提高了靶材的利用率，增长了靶材的使用寿命；等离子体的均匀分布使此溅射源在工作时更加稳定。同时由于加装导磁片后水平磁场的减弱会导致溅射速率的降低，并且也使溅射源的结构设计变得复杂。一丫( 、i厂矿：n 彬孑q 、|n 怩三淄能主= 刹纩慕氏沏冷蒋涂砀稳：r乳潜隔丁畅弧蚤、a 、未放导磁片的磁场分布图b 、加放导磁片后的磁场分布图图1 4 分流设计示意图s o l e r a s 公司提出了“表面增强剥蚀”( s u r f a c ep r o f i l i n ge n h a n c e m e n t ) 技术【1 3 1 阳，如图1 5 所示，图b 为进行过靶面形状处理的靶材刻蚀后的示意图，与图a 相比，有以下优点：靶面刻蚀的区域扩大很多，靶材利用率大幅度提高，同时靶材的使用寿命增大，提高了生产效率；事先进行的表面处理可以有效降低放电电压；靶的i v 特性稳定性增强。但这种技术也存在着先天的不足，由于需要对靶面进行表面处理，所以制造的成本较高，且不能在所有的溅射源上通用，故限制了此技术的普遍推广。a 、未采用剥蚀技术b 、采h 剥蚀技术图1 5 表面增强剥蚀技术s i n g u l u st e c h n o l o g i e s 的“智能阴极( s m a r tc a t l l o d e ) 技术1 3 引2 2 】，最初是出于提高膜层均匀性和靶材利用率的考虑，现在它主要用在视频高密光盘( v c d ) 矛i j 数字化视频光盘( d v d ) 等光学存储设备膜层的镀制上【1 3 1 。在阴极靶中采用了两个可调的电磁线圈，通过调61 绪论= = z = ；= = = = = = = = = = = = ；目= = = | 目= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = j = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 目= = = = 自目目目目= | j e = = = = = = = = = = = = = = = = e = | 目= = 自目j | ；j = = 目= 目= = 目= j 暑节溅射功率、溅射时间和流过线圈的电流来改变磁场分布，可将溅射过程分为内径和外径两个阶段。这种设计大大地提高了靶材利用率，延长了靶的使用寿命，同时又改善了膜层的质量。通过对线圈的调节，基本上能够优化任何一种新材料的镀制【2 2 】。簿篪一矿体( a ) 在外侧半径处溅射( b ) 在内侧半径处溅射图1 6 智能阴极技术示意图p r a x a i rm r c 提出一种“r e a l i t y t m ( 1 ) s p u t t e rt a r g e t 技术f 2 3 】，此技术能将靶材利用率提高3 0 左右。其中“环状增强铝合金靶”f r i n g e n h a n c e d a l u m i n i u m a l l o yt a r g e t ) 是一种圆形靶，它是通过研究普通靶的剥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1 1 3 j 。j m u s i l 及其同事，为了在低压条件下获得更好的成膜质量以及更高的成膜速率，使用了如图1 7 所示的几种方式。低压强溅射的优点如下：薄膜的附着力、机械性能及其他物理性能等都有明显改善；压强降低，有利于膜层质量的提高；低压溅射的腐蚀剖面形状有很大改善，靶材利用率明显提高。轩衡蜒魏压冒睾e基片偏压磁滋滋滋昏h ；1十十_ 、i 辜囊l 倘靶因于体园芒恹幸巴琵夏圈磁场线圈平面靶c 、平面靶和环形靶图1 7 低压磁控溅射的几种方式因匦因意图阳安。r 业大学硕十学位论文s e j i m a 等提出了种“磁拱顶( m a g n e t i cd o m e ) 结j n l l3 1 ，永磁体的排布如图1 8 所示。这种结构能在整个圆形靶面范围内实现靶材的均匀刻蚀，极大地提高靶材的利用率，在一定程度上提高靶材的溅射速率，缺点也是很明显的，整体结构复杂，加工制造困难，永磁体的装配排布困难且不容易调试。但是这种结构的出现还是引起了广泛的关注。磁搠垴铡臣三：生i 三兰三二：曼三兰i 三兰礁艇截面图( 左) 、俯视图( 右)图1 8 磁拱顶结构示意图j m u s i l 提出了一种“具有全靶剥蚀的矩形磁控靶”( r e c t a n g u l a r m a g n e t r o nt a r g e tw i t hf u l lt a r g e te r o s i o n ) 结构【1 3 1 引，如图1 9 所示。这种结构的优点是能有效延长靶的寿命，提高靶材利用率。这种结构有两种工作模式：静态模式( s t a t i o n a r ym o d e ) 幂t l 扫描模式( s c a n n i n gm o d e ) ；永磁体的磁极方向有两种排列方式：完全相同和交替排列。这种排列可以通过增加相邻磁路之间的距离和增加隔离铁厚度来消除相邻放电之间的影响，降低工作电压，还可以通过增加磁极的数量和磁极之间的距离来降低工作压力。蝴i1 1k 铁聪，棒，谢靶面上的相邻敲电图1 9 具有全靶剥蚀的矩形磁控靶示意图目前，全靶剥蚀特性的实现方式有两种：直接根据放电特性设计和扫描磁场【1 3 】。图1 1 0 所示的环状等离子体型磁控阴极( t p ，t o r o i d a l p l a s m at y p em a g n e t r o nc a t h o d e ) 属于直1 绪论接根据放电现象的方式；前面提到的全靶剥蚀矩形磁控阴极结构中采用的扫描模式以及智能阴极则属于扫描磁场的方式。；盖凳体l 型! |鞔西( b )嚣砖靶面( c )( a ) 传统的磁控溅射( b ) 等离子体的完全限制( c ) 环状等离子体型磁控阴极图1 1 0 三种阴极设计的比较清华大学的范毓殿在国内较早从事磁控溅射靶的研究，早在8 0 年代就设计出矩形及圆形磁控溅射靶，并获得了国家发明专利，同时他还采用调节磁场强度的方法，进行了非平衡磁控溅射等方面的研究l l 引。北京仪器厂的王怡德提出了一种背环式磁控溅射靶2 4 2 5 1 ，如图1 1 1 所示，它有以下几种特点：采用共用永磁体，外露软磁极靴的磁场布局，增加了水平磁场分量，提高了溅射效率；同时采用带翼的凹形靶材，不但提高了靶材的利用率，而且还避免了极靴材料侧面遭轰击后可能产生溅射；采用间接水冷的方式避免了国外多采取纤焊工艺给靶制造所带来的困难。f e柬搬佐图1 1 1 背环式磁控溅射靶截面示意图华南理工大学的常天海教授设计的一种无屏蔽罩的矩形平面磁控溅射靶结构，很大程度上增强了靶面磁场，为实现低电压磁控溅射提供了新的思路1 2 6 | 。东北大学的黄英、张以忱对圆柱旋转双面矩形磁控溅射靶磁场的设计计算，解决了同轴圆柱形磁控靶由于环状磁场所引起的膜层均匀性不好的问题1 2 。总之，国内在靶分析设计方面与国际先进水平之间存在较大的差距，还没有形成专业化和产业化【1 3 】。所以实现自主设计是我们每个从事镀膜技术人员的主要努力方向。设计两安f ：业人学硕十学伶论文一款高溅射率、高沉积速率和高成膜质量的溅射源提高我们的技术实力参与国际竞争是我们的愿望。1 3 研究内容及方法1 3 1 研究内容简介本文主要针对提高靶材利用率而设计的一款新型的磁约束磁控溅射源，研究的主要内容包括：( 1 ) 磁约束磁场的的设计计算( 2 ) 电场的设计计算( 3 ) 靶的设计( 4 ) 实验测试及分析1 3 2 研究方法本设计采用了如图1 1 1 所示的方法，即对所设计磁控溅射源进行调研，确保是前人所没有做过的；然后进行理论分析，使用正确的理论指导下面的方案设计正常进行；方案设计是十分重要的环节，是整个设计的总体，也是设计能否成功的关键所在；方案设计完成之后，对设计图纸进行加工制造，制成原理样机；然后进行原理样机的实验测试，得到最佳的性能参数；最后进行最终定型设计。图1 1 1 研究方法流程图1 4 本文内容安排本文主要从以下几个方面进行论述：( 1 ) 绪论。描述论文写作的背景、目的、意义，磁控溅射技术及应用的概述。( 2 ) 原理及理论分析。详细介绍了磁控溅射和磁约束的原理，并对磁镜理论运用在实际工程技术领域进行分析。( 3 ) 设计。主要是讲述对磁场的设计、电场的设计、靶的设计等。并在完成设计后加工出原理样机。( 4 ) 实验测试。对实验装置在真空室中进行实验测试，验证并优化磁约束磁控溅射源。1 绪论j _ - = = j j j 目| 目；= 目= | = = ，_ | 目= 目= = = = = = = = = = = = ；j 目目目_ _ _ _ _ 目_ 自目e = 目_ 目j 目；目目= _ ；j 目_ | - t = = ，目= = = = = = = _ = = 目= = = - _ _ 目= _ | = _ t = = = = = = = = = = = ；= =( 5 ) 结论及展望。对本课题进行总结并对今后工作做进一步展望。硝安i ：业大学硕十学位论文2 1 磁控溅射的工作原理2 原理及理论分析磁控溅射系统在真空室充入0 1 1 0 p a 压力的惰性气体( 一般情况下为a r ) ，作为气体放电的载体，阴极靶材的下面放置1 0 0 1 0 0 0 g a u s s 强力磁铁。在高压作用下旬原子被电离成a 什离子和电子，产生等离子辉光放电。电子在加速飞向基片过程中受到电场产生的静电作用力和磁场产生的洛伦磁力的共同作用( 正交电磁场作用) ，产生飘移，并作跳跃式的运动。这会使电子到达基片的行程大为延长，在运动过程中不断与心原子发生碰撞，电离出大量斛离子。磁控溅射时，电子的能量充分用于碰撞电离，使等离子体密度比二级溅射的密度提高约一个数量级。一般靶材刻蚀速率，相应的镀膜速率与靶面电流密度成正比，于是磁控溅射的镀膜速度相比一些普通溅射技术大大提高。经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的的约束，最终沉积在基片、真空室及靶源阳极上。而a r +离子在高压电场加速作用下，与靶材的撞击并释放出能量，导致靶材表面的原子吸收a r +离子的动能而摆脱原品格结构约束，呈中性的靶原子逸出靶材的表面飞向基片，并在基片上沉积形成薄膜。具体原理图如图2 1 所示。图2 1 磁控溅射原理图由于电子必须经过不断地碰撞才能逐渐远动到基片，而且由于碰撞，电子到达阳极的后的能量已经很小，对基片的轰击热也就不大，这就是磁控溅射基片温升低的主要机理。另一方面，加上磁场后大大加大了电子与氩原子碰撞的几率，进而大大促进了电离的发生，电离后再次产生的电子也加入到碰撞的过程中，从而将碰撞的几率提高好几个数量级。这就是磁控溅射沉积速率高的原因 2 2 2 8 1 。1 2中运动时将发生什么情况。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e o 。它在平行于磁场与垂直与磁场的两个方向上的速度分量分别为“和l 。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，l 由于磁矩p = 睾是常数，而b 点磁场比a 点磁场强，因而在点b 时的w 应该比a 点时丘大。，所以说带电粒子运动到b 点，它的垂直速度分量要增大。由于总能量w = 形l + 彬。是一定的，因而形的增大是以形的减小为代价的。当带电粒子继续前进时，彬，= 0 。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 3 理论分析图2 2 磁镜装置的磁场位形2 3 1 磁约束磁控溅射源根据磁约束原理，我们从理论上设计了这款磁约束磁控溅射源，如图2 3 所示。其与传统的磁控溅射源最大的不同是：永磁体的排放不再是置于靶材的下方，而是置于靶材的两侧，磁路通过导磁板形成回路。此时，靶材两端磁铁所形成的磁路是梭形的，中间大两边口小，磁场强度也是中间小两边大，根据磁镜理论，带电粒子( 等离子体) 的运动轨迹范围理论上只能在此磁镜范围之中。这样，磁控溅射所需的高浓度的等离子体就被约束在靶面的范围之内，并根据磁场的摆放位置随之扩大。如图2 3 所示，如果单侧加两排或者三排永磁体，那么磁场的范围会非常大，如果等离子体的范围能到达基片的位置，那么溅眄安一l ：业火学硕十学伊论文射源就有等离子体辅助沉积的功能，对薄膜沉积速率及膜层结构都有很好的帮助。更重要的是采用这种磁场设计，靶面的刻蚀方式与图2 4 所示传统的刻蚀方式有本质的区别：传统的靶材刻蚀是形成跑道环形状的刻蚀区域，使用一段时间后，跑道环越来越深，最后被击穿，那么整个靶材就不能再使用。虽然传统的溅射方法可以利用了很多新技术来提高利用率，但不是技术过于复杂就是成本过高；现在这种设计在磁控溅射源工作的时候不会刻蚀出跑道环形状，而是整体刻蚀，在靶面上形成梭型的刻蚀形状，这样能极大的提高靶材利用率【3 2 训】。总体来说，这种设计的两大好处是：打破传统的磁控溅射的磁场设计方式，提高了靶材利用率并使溅射源具有非平衡磁控溅射的效果，即等离子体辅助沉积的功能。图2 3 磁约束磁控溅射示意图图2 4 磁控溅射的跑道环刻蚀示意图2 3 2 磁约束磁控溅射源的理论验证等离子体在磁镜中的运动轨迹到底是什么样子呢? 国内国外的许多学者都对此作了很多的研究。国防科技大学刘列博士已对磁镜中粒子的运动做了比较充分的研究工作【3 0 1 ，本文就引用其对磁镜磁约束等离子体的粒子模拟的结果。刘列博士以图2 5 所示的简易装置为模型对等离子体的运动轨迹进行了模拟仿真。这单的磁镜装置由两个相距一定距离，且电流方向相同的同轴线圈组成，其可以产生一1 42 原理及理论分析个中间弱两端强的磁场。在此磁场的作用下，平行于磁场方向且速度分量不太大的带电粒子将被约束在磁场区域内来回运动而不能逃脱。从图2 6 中可以看出，所跟踪的6 个粒子的运动轨迹是周期性的，其变化呈现对成性，粒子在运动一段时间后又回到原来的位置，即粒子的运动轨迹是闭合的，且范围被约束在o - 6 0 c m 范围之内，可见磁镜对粒子的约束是有效的。我们所设计的磁约束磁控溅射源从理论上也是可行的。r图2 5 磁镜的简易装置示意图z2 4 本章小结i ，c t 孰图2 6 等离子体粒子动量随z 变化轨迹本章主要对磁控溅射技术的原理、磁约束原理以及磁镜原理的理论验证加以详细阐述。磁控溅射技术已经在各个领域得到广泛的应用，把磁镜原理应用到磁控溅射领域将是一个很大胆的想法。本章只是在理论上加以阐述，在下一章中将根据此理论进行具体的设计。两安i ：业人学硕十学位论文3 设计经过认真详细的理论分析，证实了磁约束磁控溅射源理论的可行性，故进行下一步的工作设计。设计主要包括磁场的设计、电场的设计、靶的设计等部分。详细的方案设计关系到整个设计成败的关键，故需经过预设计方案，研讨设计方案及最终方案等步骤。本设计由于时间短，而磁控溅射源的结构简单，便于加工制造等优点，所以制订了如下设计流程图。冷气笳壳磁电靶却路缘体场场h 、的系、系，密，结一一设设设统统封构计计计设设设设计计计计3 1 磁场的设计图3 1 设计流程图3 1 1 磁场及其计算方法1 ) 磁路从磁场基本原理可以知道，磁力线或磁通总是闭合的。磁路和电路中的电流一样，总是在低磁阻的通路流通，高磁阻的磁路磁通较少。所谓磁路是指凡是磁通( 或磁力线) 经过的闭合路径称为磁路【3 1 】。2 ) 磁路的欧姆定律以图3 2 为例，在环形磁芯磁导率为“的磁芯上，环的截面积彳，平均磁路图3 2 环形磁芯线圈和等效磁路长度为，绕有n 匝线圈。在线圈中通入电流i ，在磁芯建立磁通。同时假定环的内径相差很小，环的截面上磁通是均匀的。根据公式f ：n i = h i 有：1 63 设计( 3 - 1 )( 3 2 )( 3 - 3 a )毛一称为此路段磁阻，与电阻的表达式相似，正比例与磁路的长度，反比例与截面积a 和材料的磁导率弘；其倒数称为磁导瓯= 万1 = 等( 3 - 3 b )式3 1 即为磁路的欧姆定律，在形式上与电路的欧姆定律相似。磁阻的单位在s i 制中为安韦，或l 亨；在c g s 制中为安麦。磁导的单位是磁阻单位的倒数。同理，在磁阻两端的磁位差称为磁压降乩，即，= 咖r ，= 删去2h i( 安匝) ( 3 4 )引入磁路以后，磁路的计算服从于电路的克希赫夫第两个基本定律，根据磁路克希赫夫第一定律，磁路中任意节点的磁通之和等于零，即f 西= 0：，4( 3 - 5 )根据安培环路定律得到磁路克希赫夫第二定律【5 4 】，沿某一方向的任意闭合回路的磁势的代数和等于磁压降的代数和等于磁压降的代数和或f i n ：f 湖( 3 - 6 a )t jn = f h i( 3 6 b )j - 一、式( 3 - 5 ) 对应磁场的高斯定理，即穿过任何闭合曲面的磁场之和为零。而式( 3 - 6 )如西=羔肚=。坠p 他l i，肼归=m| if或两安i ：业人学硕十学伊论文则为磁路的欧姆定律。反当指出的是磁路仅在形式上将场的问题等效成路来考虑，它与电路的根本不同在于：( 1 ) 电路中，在电动势的驱动下，确实存在着电荷在电路中流动，并因此引起电阻的发热。而磁路中磁通是伴随电流存在的，对于恒定电流，在磁导体中，并没有物质或能量在流动，因此不会在磁导体中产生损耗。即使在交变磁场下，磁导体中的损耗也不是磁通流动产生的。( 2 ) 电路中电流限定在铜导线和其他电导率高，比电路的周围材料的电导率一般要搞1 0 比倍以上( 例如空气或环氧板) 。因为没有磁“绝缘”材料，周围介质( 例如空气)磁导率只比组成磁路的材料的磁导率低几个数量级。实际上，磁导体周围空气形成磁路的一部分，有相当部分磁通从磁芯材料路径中发散出来，并通过外部空气路径闭合，称为散磁通。对于磁路中具有空气隙的磁路，没有磁芯的空心线圈更是如此。一般情况先，在磁路中各个截面上的磁通是不等的。( 3 ) 在电路中，导体的电导率与导体流过的电流无关。而在磁路中，磁路中磁导率是与磁路中磁通密度有关的非线性参数。即使磁通路径铁磁结构保证各处截面“不同，导致相同磁路长度，不同的磁压降。通常需要由磁通求磁阻，又由磁阻求磁通反复试探，做出系统的磁化曲线，这样工作量很大。虽然空气的磁导率是常数，但气隙磁场与结构有关，很难准确计算。( 4 ) 由于有散磁通的存在，即使均匀绕在环形磁芯上的两个线圈也不能做到全耦合，漏磁通一般很难用分析的方法求得，通常采用经验公式计算。( 5 ) 直流( 即恒定) 磁场已经相当复杂，如果是交流激励的磁场，在其周围有导体，在导体中产生涡流效应，涡流对激励线圈来说相当于一个变压器的次级，涡流产生的磁通对主磁通产生影响，磁场更加复杂。可见，磁路计算是近似的。为了得到较准确的结果，首先应对静态磁场分布情况有较清晰的概念，才能做出合乎实际的等效磁路。a 、有气隙时的磁场如果电路中两点之间有电位差，就可能在两点之间