（流体机械及工程专业论文）圆平面磁控溅射靶的磁场优化及刻蚀模拟.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nf i u i dm a c h i n ea n de n g i n e e r i n g m a g n e t i cf i e l do p t i m i z a t i o na n d e r o s i o n s i m u l a t i o no fc i r c l ep l a n a rm a g n e t r o n s p u t t e r i n gt a r g e t b yw r a n gw e i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n g y i c h e n n o r ：t l l e a s t e r nu n i v e r s i 够 j u n e2 0 0 9 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已在论文中作了明确的说明并表示谢二丘思。学位论文作者签名：王缘曰期：2 珍d 9 、占、万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：半年口一年口一年半口两年团学位论文作者签名：王柱导师签名：层以剧签字日期：l ? t 晒签字日期：砷秒多，侈可 东北失学硕士学位论文摘要圆平面磁控溅射靶的磁场优化及刻蚀模拟摘要磁控溅射已经成为工业镀膜生产中最重要的技术之一，其中磁场分布在整个溅射过程中起着至关重要的作用，磁场强度的大小、分布决定了等离子体的特性，从而对成膜质量、靶表面刻蚀的均匀程度以及靶材的利用率均有影响。对于靶材的刻蚀形貌，人们主要通过实验的方法进行研究，周期长、成本高，因此对相关课题的理论研究具有重要的学术和应用价值。本论文主要研究工作及结论如下：( 1 ) 在现有s d 5 0 0 型多靶磁控溅射镀膜机的基础上，为解决靶面磁场分布不均匀的问题，利用a n s y s 有限元软件对靶面的磁场分布进行模拟，并利用高斯计测量靶面磁场分布，通过对比来验证模型的正确性。通过磁场的有限元模拟，系统分析了靶的各个结构参数对靶面磁场分布均匀性和强度的影响。其中对磁场分布均匀性影响较大的结构参数包括：内磁柱半径、内磁柱高度和导磁片长度。( 2 ) 提出带削角极靴和无极靴两种靶模型，利用a n s y s 参数化设计语言分别对其结构参数进行优化设计，分析表明两种模型都能够增加靶面磁场分布均匀性，但无极靴靶模型的分布均匀区域宽度较大。通过在无极靴靶模型的铜背板的不同位置加装不同数目的导磁片，可以进一步扩大磁场分布均匀区域的宽度。分析表明，在铜背板上加装三片导磁片后，使得靶面水平磁感应强度的均匀区域宽度扩大到1 5 5 m m ，约占靶面的6 2 左右，同时靶面溅射区域中部的水平磁感应强度可降低l o 左右，符合理想磁场的分布条件。( 3 ) 对靶材刻蚀形貌进行了初步的研究，针对2 m m 厚的靶，建立靶材表面磁场分布与靶材刻蚀深度之间的对应关系的模型，对靶的刻蚀形貌进行了模拟。经过优化设计后的靶模型均匀刻蚀区域为距离靶中心1 1 18 m m 处，靶材利用率为7 0 6 ，与现有靶结构相比，靶材利用率提高了0 6 ，从而证明通过均匀磁场分布来提高靶面刻蚀均匀性这一方法的可行性。关键词：磁控溅射；圆形平面磁控靶；磁场分布；靶材刻蚀；有限元模拟一i i m a g n e t i cf i e l do p t i m i z a t i o na n de r o s i o ns i m u l a t i o no f c i r c l ep l a n a rm a g n e t r o ns p u t t e r i n g7 i a r g e t a bs t r a c t m a g n e t r o ns p u t t e r i n gh a sb e e nd e v e l o p e da so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o 百e s i ni n d u s t “a lc o a t i n g m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o nm a k e si m p o r t a n tr 0 1 ei nt h ep r o c e s so f m a g n e t r o ns p u t t e r i n g t h es t r e n g t ha n dd i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l dd e t e m i n et h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep l a s m a ，w h i c ha f f e c tt h eq u a l i t yo f 矗l m ，e t c h e da r e aa n dt h e u t i l i z a t i o no ft a r g e t c u r r e n t l y t h em a j o r i t yo ft h es t u d i e sa r ef o c u s e do nt h et a r g e t e r o s i o nv i ae x p e r i m e n t s ，w h i c ha r en o to n l y e x p e n s i v eb u t a l s o t i m e - c o n s u m i n g o b v i o u s l y ；t h e o r e t i c a lr e s e a r c h e si nt h i sf i e l dw i l lh a v ei m p o r t a n ta c a d e m i ca n dp r a c t i c a l v a l u e s t h em a i nr e s e a r c hw o r ko ft h i st h e s i si sa st h ef o l l o w i n g s ( 1 ) o nt h eb a s i so fs d - 5 0 0m u l t i - t a r g e tm a g n e t r o ns p u t t e r i n gs y s t e m ，i no r d e rt o s 0 1 v et h ep r o b l e mo fu n e v e nd i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l do nt a r g e ts u r f a c e ，w e ： s i m u l a t e dt h em a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o nw i t ha n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f ：t w a r e ，a n d m e a s u r e dt h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l do nt a r g e ts u r f a c ew i t hu s i n gg a u s sm e t e r ，t o v e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h em o d l e w es y s t e m i c a l l ya n a l y z e dt h ei n f l u e n c e so ft a r g e t s t r u c t u r ep a r a m e t e r so nt h em a g n e t i cf i e l d ， i n c l u d i n gu n i f o m i t ya n di n t e n s i t y t h e r a d i u sa n dh e i g h to fi n n e rm a g n e ta n dt h e1 e n g t ho fs h u n t e dp i e c eh a dr e l a t i v e l yb i g i m p a c t so nt h eu n i f - o m l i t yo ft h em a g n e t i cf i e l d ( 2 ) t w ot a r g e tm o d e l sw e r ed e s i g n e d o n em o d e lw a st o pr a k ew i t hp o l es h o et a r g e t ， t h eo t h e rw a st a r g e tw i t h o u tp 0 1 es h o e u s i n ga n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g et o o p t i m u md e s i g nt a r g e ts t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，w eg o tr e s u h sa st h ef 0 1 1 0 w i n g b o t ho ft h e m o d e l sc a ni n c r e a s et h em a g n e t i cf i e l du n i f o r m i t yd i s t r i b u t i o n ，如r t h e 姗o r e ，t h et a r g e t w i t h o u tp o l es h o es h o u l dh a v eaw i d e ru n i f o r ma r e a i no r d e rt o 如i r t h e ri n c r e a s et h e b r e a d t ho fu n i f o m i t yd i s t r i b u t i o nr e g i o n ，w ea s s e m b l e dd i f f e r e n ta m o u n t so fs h u n t e d p i e c e so nd i f f b r e n tl o c a t i o n so ft h ec o p p e rb a c kb o a r do ft h et a r g e tw i t h o u tp o l es h o e t h r o u g ha n a l y z i n gw ef o u n dt h a ta s s e m b l e dt h r e es h u n t e dp i e c e so nc o p p e rb a c kb o a r d c o u l di n c r e a s eu n i f | o m i t yd i s t r i b u t i o nr e g i o no fh o r i z o n t a lm a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t y t o15 5 m m ，a c c o u n t e df o r6 2 o ft h e t a r g e ts u r f a c e ，f u r t h e m o r e ， t h eh o r i z o n t a l m a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t yo fs p u t t e “n gr e g i o n a lc e n t r a lr e d u c e da b o u t10 ，a c c o r d e d t h ei d e a lm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o nc o n d i t i o n ( 3 ) t h et a r g e te r o s i o ns h a p ew a sp r e l i m i n a r ys t u d i e d 1 、a r g e tf o rt h e2 m mt h i c k ， t t l d e s c r i b e dt h eo p p o s i t er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a g n e t i c 矗e l dd i s t r i b u t i o no nt h et a r g e ts u r f a c ea n dt h es h a p eo ft h et a r g e te r o s i o n ，a n ds i m u l a t e dt h et a r g e te r o s i o ns h a p e a f i e ro p t i m i z e dd e s i g n ，t h ee r o s i o nu n i f o m l i t yr e g i o no ft h et a r g e tw a s1 1 18 m m ，a n dt h eu t l l l z a t l o no ft a r g e tw a s7 0 6 c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n gt a r g e ts t r u c t u r e ，t h eu t i l i z a t i o no ft a r g e tw a si m p r o v e d1 1 0 6 f u r t h e m o r e ，t h ew a yt oi n c r e a s et h ew i d t ho fe r o s i o na r e ab yo p t i m i z e dm a g n e t i cf i e l di sr e a s o n a b l e k e yw o r d s ：m a g n e t r o ns p u t t e r i n g ；c i r c l ep l a n a rm a g n e t r o nt a r g e t ；m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o n ；t a r g e te r o s i o n ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ni v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明i 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 课题研究的背景与现状l 1 3 课题研究的内容1 0 第2 章实验设备及原理1 1 2 1 磁控溅射镀膜的基本原理1 1 2 2 设备的组成与功能1 2 2 2 1 真空抽气系统1 2 2 2 2 溅射镀膜室1 3 2 2 3 预处理室15 2 2 4 镀膜机的工作过程1 5 2 3 实验的内容与方法1 6 第3 章圆形磁控溅射靶磁场的模拟与分析1 9 3 1 利用a n s y s 软件求解磁场1 9 3 1 1 有限元法基本原理和分析步骤1 9 3 1 2a n s y s 软件1 9 3 2a n s y s 电磁场模拟的数学模型2 0 3 3 圆形磁控溅射靶的物理模型2 1 3 3 1 圆形磁控溅射靶的物理模型2 l 3 3 2 圆形磁控溅射靶磁场分析步骤2 2 3 4 验证磁控靶模型的正确性2 4 3 5 圆形磁控溅射靶的磁场分析2 6 3 5 1 磁场分析及研究方法2 6 3 。5 2 靶的不同结构参数对磁场的影响规律2 6 3 6 本章小结3 4 v 东北大学硕士学位论文 目录 第4 章圆形磁控溅射靶的优化设计3 5 4 1 磁场的设计原则3 5 4 1 1 磁场强度设计原则3 5 4 1 2 磁场均匀性设计原则3 5 4 1 3 磁场设计改进原则3 6 4 2a n s y s 参数化设计语言3 6 4 2 1a p d l 简介3 6 4 2 2a n s y s 的优化方法及相关概念3 7 4 2 3a n s y s 优化的基本原理3 8 4 2 4a n s y s 优化设计的步骤4 0 4 3 圆形磁控溅射靶的优化设计4 1 4 3 1 带削角极靴靶的优化设计4 1 4 3 2 无极靴靶的优化设计一4 5 4 4 加导磁片磁控靶的优化设计4 8 4 5 本章小节5 3 第5 章圆形磁控溅射靶的刻蚀模拟5 5 5 1 靶材刻蚀的研究方法5 5 5 1 1 传统磁控刻蚀环的形成5 5 5 1 2 靶分析和设计的方法5 5 5 2 圆形磁控靶的刻蚀模拟5 7 5 2 1 电子在电磁场中的运动分析5 7 5 2 2 模拟靶材刻蚀的模型5 8 5 2 3 圆形磁控靶的刻蚀模拟6 0 第6 章结论与展望6 3 5 1 主要研究结论6 3 5 2 前景展望6 4 参考文献6 5 致谢6 9 。v i 东北大学硕士学位论文第l 章绪论第1 章绪论1 1 课题研究的目的和意义磁控溅射已经发展成为工业镀膜生产中最主要的技术之一，在批量镀膜生产中特别关注靶材利用率、膜层均匀性、沉积速率以及溅射过程稳定性等方面的问题。在磁控溅射镀膜设备中，采用的是不均匀的磁场，因此会使等离子体产生局部的收缩效应。同时，会使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匀刻蚀，靶材的利用率一般仅在2 0 3 0 。为了提高靶材的利用率，人们采取了各种各样的措施，如改善磁场形状及分布、使磁铁在阴极内部移动等等。对于薄膜的性能和靶材的刻蚀问题，目前人们主要还是通过实验手段来研究。然而实验过程周期长、成本高，特别是对贵金属靶材。而且完全依靠实验的方法带有很大的盲目性，所以从理论上对薄膜性能和靶材刻蚀的研究越来越为人们所重视。因此，对磁场的分析研究，以及对靶刻蚀的模拟等相关问题的研究将具有重要的学术和实践价值。本文在现有s d 5 0 0 型多靶磁控溅射镀膜机设备的基础上，根据现有磁控靶结构上存在的问题，通过对靶的结构参数进行优化设计，最终给出符合理想磁场分布的靶模型，然后建立靶材表面的磁场分布与靶材刻蚀形貌之间的对应关系模型，对靶的刻蚀进行初步的研究。1 2 课题研究的背景与现状磁控溅射技术不断提高的需求，迫使人们改进已有的甚至改造全新的溅射仪器。许多研究已经发现，磁控阴极产生的磁场的大小和方向分布以及由以上因素决定的等离子体特性是至关重要的。增加磁场均匀性能够增加靶面刻蚀的均匀性，提高靶材利用率，从而延长靶材寿命；同时，合理的电磁场分布还能够有效提高溅射过程的稳定性，因此这些参数的计算与测量将是十分必要的。为了能预见性的处理和配置放电空间的磁场，人们作了大量理论结合实验的工作。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 ) 2 ，通过在靶和磁极之间一定位置处放置一定形状的高导磁率薄片，使得靶面附近的磁场分布更加均匀，提高了靶材利用率，延长了靶的寿命，并使溅射过程更加稳定。但这种设计会降低靶面处的水平磁场强度，溅射速率也会有所下降；同时，导磁片结构参数和安装位置的确定也 东北大学硕士学位论文第1 章绪论有一定的难度。s o l e r a s 公司还提出了一种“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【2 1 ，如图1 1 所示，通过事先在靶面上刻蚀一定形状的沟槽来提高靶材溅射的均匀性，同时整个溅射过程也变得更加稳定。另外，研究发现，预先在靶面上刻蚀一定形状的沟槽可以有效降低放电电压和工作压力并使得整个溅射过程中的i v 特性变得十分稳定。不足之处是提高了成本，并且不同设备之间靶材的通用性不好。溅射前的靶面m 溅射后的靶面( a ) 没有采用该技术( b ) 采用了该技术图1 1 表面增强剥蚀技术f i g 1 1s u p e r 6 c i a le n h a n c e m e n td i s i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yp r a x a i rm r c 的“r e a l i t y t ms p u t t e rt a r g e t 技术【3 】，通过优化设计能将靶材利用率提高3 0 。其中“环状增强铝合金靶( r i n g e n h a n c e da l u m i n u ma l l o y1 a r g 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 2中提出了一种新的扩散结合( d i 纳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钛靶有着明显不同，靶材利用率提高了。溅射沟槽溅射沟槽 弋= = = = 7 气= = = = ； 高纯钛 = = 二= 二二= 二= 二二= = 二二二溅射沟槽溅射沟槽广臣三三乏至巫至三三乏芋竿上图是普通钛靶，下图是扩散结合钛靶图1 2 普通的钛靶和扩散结合钛靶的剥蚀形貌比较f i g 1 2o r d i n a r yt i t a n i u mt a r g e ta n dd i f h s i o n a lb o n dt i t a n i u mt a r g e t sd i s i n t e g r a t i o na p p e a r a n c ec o m p a “s o np f r a c h 等【4 】提出了一种双环靶( d o u b l e - r i n gm a g n e t r o ns p u t t e r i n gs o u r c e s ) 结构，如图1 3 所示。该结构是在靶内采用两组磁铁，每个磁铁的内侧和外侧磁极极性不相同，这样每组磁铁在靶表面都会形成一个刻蚀环，最后靶表面出现了两个刻蚀环，不仅能提高靶材的利用率，而且能提高沉积薄膜的膜厚均匀性。韩大凯等 5 1 对矩形靶的磁钢排布进行了改进，在内外两磁路中加入反向磁场，且保证相邻磁钢极性相反。反向磁场的作用是使跑道中央的水平磁场强度减弱，同，) 。 东北大学硕士学位论文第l 章绪论时小磁钢与相邻的火磁钢形成磁路，结果把跑道边缘的水平磁场强度增强。从图1 4中的磁力线分布情况，j 以看到反向磁场起到了、阿肖和宽展靶而磁力线的作用。1 一基片；2 一等离子体罩：3 一法、上；4 一内磁铁；5 一外磁铁；6 一靶刘1 _ 3 双环磁控溅射靶f i g 1 3t h et w o r i n gl n a g n e l r o ns p u i t e r i n gi a r g e t图1 4 改进的磁钢排布f i g 1 4i m p r o v e d1 n a g n e tc o n f i g u r a t i o ns e j i m a 等提出了一种“磁拱顶( m a g n e t i cd o m e ) 结构【6 1 ，磁钢排布如图1 5 所示，它能够在整个圆形靶面范围内实现靶材的均匀刻蚀，其缺点是磁钢排布困难。磁铜磁钢截面图图1 5 磁拱顶2 m 玑j ：意幽俯视图f i g 1 5s l r u c t u r es c h e l l l a i i cd 1 a w i n go ft h e1 n a g n ec i cd 0 1 1 1 e一3 一蛰琏一 东北大学硕士学位论文第l 章绪论通过改变磁场的内外磁极与靶表面的距离( 内外磁极上下活动总路径为15 m m左右) ，由此改变磁场强度实现对溅射率和沉积率的细微调节。该技术可以控制靶材的刻蚀情况，实现对靶材的均匀溅射，从而提高靶材利用率。w e s t 等【，j 在利用直流脉冲反应磁控溅射法制备具有高折射率二氧化钛光学薄膜时，借助该技术优化薄膜性能，较好地提高了其结合力、表面粗糙度和抗磨擦性能。大连理工大学的赵华玉等【8 通过分析磁控靶表面和磁极表面的磁场，发现减少磁极的尺寸可以增加靶表面径向磁场区域，磁芯上方加圆锥形极靴可以增强磁芯上方径向磁场，且磁控靶的磁场与靶的结构和永磁材料的属性有关。s h i n z o 等【9 】在靶面等离子轰击较弱的靶材位置添加永磁体，为防止磁体溅射污染薄膜，在添加的磁体表面覆盖靶材成分薄片，可解决铁磁性靶材在磁控溅射时发生的磁屏蔽现象。该方法用较少的磁体实现较厚铁磁性靶材的磁控溅射，无需昂贵的高性能铁磁体或电磁线圈，但也有较多缺点，如靶材和磁体的安装复杂，且溅射时靶面的高温容易使永磁体失效。c h e n 等【1 0 】在靶材和基片的中问周围施加永磁体，来调节靶材表面的磁场分布，通过对其进行位置控制，使靶材表面的水平磁场分布更加均匀，可大大提高靶材的溅射率和利用率，并且有望解决铁磁性靶材溅射难题。赵新民等】通过在基片上直接放置一块永磁铁来改变靶面附近的磁场分布，如图1 6 所示，通过实验发现s s 构型和s n 构型的靶材利用率均比无外加磁场时要高，且s n 构型的靶刻蚀深度轮廓线比较平坦，相对刻蚀深度值更大，靶利用率可达6 0 。幽1 6 实验装置不恿图f i g 1 6s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m清华大学材料系的范毓殿在国内较早从事磁控溅射靶的研究，早在8 0 年代初设计出矩形及圆形磁控溅射靶，并获得了国家发明专利【1 2 】。北京仪器厂的王怡德提出了一种背环式磁控溅射靶1 3 】，如图1 7 所示，采用共用永磁体、外露软磁极靴的磁场布局，提高了溅射效率；同时采用带翼的凹形靶材，靶材利用率高；采用间接水冷的方式，又避免了国外多采取钎焊工艺给靶制造所带来的困难。传统磁控溅射靶材下方的磁体固定，形成的非均匀磁场分布导致靶材利用率4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论低，为了克服平面磁控溅射靶利1 | = j 率低的缺。? 、i ，人们竹；了许多的尝试。例如将靶利i 、- 方n 勺磁体按照定的规律运动，_ j 磁钢、，i i 的磁场也将祚：靶而米刚运动，使ll l 子i r 包道扩展14 舶】，r u 达到对靶材的均匀溅射，提高靶材的利川率，尤其和多成分复合；寺却水靶f e薹至泳磁铁图1 7 背环式磁控溅射靶结构的断面示意图( a ) 单环靶( b ) 双环靶( c ) 二环靶f i g 1 7c a r r i e st h ec o n c e n t r i cm a g n e t i s l nt oc o n t r 0 1t h es p u t f er i n gl a r g e ts t r u c t u r et h ec r o s ss e c f i o ns c l l e m a t i cd r a w i n g ( a ) s i l l g l e r i n gt a r g e t ( b ) d o u b l e r i n gt a r g e t ( c ) i h r e e 一1 i n gc a r g e t靶材溅射时所得膜层的均匀性可得到改善，如图1 8 所示，将整个磁钢都放置在水冷体中，双向电机带动磁钢在靶面来回运动，使其产牛的平行磁场也在靶面来回运动，从而使靶的刻蚀变为一个动态过程，靶而刻蚀也比较均匀。w i l m e r t j 设计的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6 1 。s e n i o 等 1 8 】在直流脉冲反应溅射制取氧化铝薄膜时使用这种方法，获得了具有低内应力和高精确度化学成分比的氧化铝薄膜。l i n g w a l 等【l 刈用移动磁场的方法在硅基片上获得成分均匀且晶而为( 2 2 0 ) 的t i n 层，作为防止c u 扩散合金化的阻挡层。但这样做使得系统结构的复杂性增加了，操作起来也比较困难。【到1 8 矢i ! | 乡蕾巴上垒动f ：；皇场f i 勺 古十 j ，j i 憩：【冬if i g 1 8s t r u c t u r es c h e m a t i cd r a w i n go ft h er e c t a n 9 1 et a r g e tw i t h1 n o v e m e n tm a g n e t i cf i e l d一前已经出现了很多种靶的设计结构20 。22 1 ，包括现在普遍采用的中频双靶磁控溅射，通过优化设计能够有效地提高溅射和；! = l ( 积的速率，改善膜层质量以及增加靶材利用率，延长靶的寿命。还有圆柱旋转靶的结构23 1 ，如图1 9 所示。旋转靶每一时一气一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论刻靶面溅射的位置不同，靶的冷却比较充分，靶面能够承受更人功率的溅射，i 司时它义具有靶材利用率高的特点，将它t 引卜频双靶磁摔溅射技术相结合能够显著提高生产效率同时降低生产成本。圆柱旋转双面矩形磁控溅射靶解决了同轴瞰i 柱形磁控靶山于环状磁场所引起的膜层均匀性不好的问题，可以在靶两侧的人而积平血f 基片上沉积出均匀的膜层。这种靶具有较高的磁场强度，膜层的沉积速率高，溅射效率也高，同时通过旋转机制提高了靶材的利用率。针对柔性基体镀膜的特点，卷绕镀膜应运而生，从最初时局限于热蒸发镀，到后来的溅射卷绕镀膜，现在多靶磁控溅射卷绕镀多层膜的技术已经发展得比较成熟了。l23456锈捺，一、慧爹一8，1 气体离子；2 一靶材；3 条形磁铁；4 磁库：5 一等离子体；6 基片；7 一冷却水管；8 一溅射原子幽1 9 圆柱旋转双面矩形磁控溅射靶横断面结构及溅射刻蚀示意图f i g 1 9c o l u m nr e v 0 1 v i n gt w o s i d e dr e c t a n g l em a g n e t i s mc o n t r 0 1t h es p u t t e r i n gt a r g e tc r o s ss e c t i o ns t r u c t u r ea n dt h es p u t t e r i n gs c u l p t u r es c h e l n a t i cd r a w i n g为了消除磁控溅射的缺点，人们改进已有的甚至构造全新的溅射装置。19 8 5 年，w i n d o w 等 2 4 1 首先引入了“非平衡磁控溅射( u n b a l a n c e dm a g n e t r o nc a t h o d e ，u b m ) 的概念，并给出了非平衡磁控溅射平面靶的原理性设计。它与传统的磁控溅射设备结( a )( b )幽1 1 0 平面磁控溅射靶的磁场分布( a ) 平衡( b ) 。| 卜平衡f i g 1 10m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o no fp l a n a rm a g n e t r o ns p u t t e r i n gt a r g e t ( a ) b a l a n c e ( b ) u n b a l a n c e构一样，所谓的“非平衡磁控”是指通过磁控溅射阴极的内、外两个磁极端面的磁通量不相等，如图1 10 所示 25 1 。对于以较弱的限制磁场为特点的非平衡磁控溅射技术，一6 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论等离子体区域扩展到基片的表面。由于离子对基片的轰击，将强烈地改变最终薄膜的结构和性质，使得结构致密、成分复杂的薄膜沉淀成为可能【26 l ，但基片的温度较高。西安理工大学的马剑平和刘艳涛设计的非平衡磁控溅射靶结构【2 。”，b d f e b 永磁回路采用外磁钢与内铁芯等高结构，且增加导磁分流板，靶面磁感应强度横向分量的峰值大小和其分布均匀性二个方面均具有明显的最优化特征，明显改善了靶面磁场强度分布的均匀性。非平衡磁控溅射技术的进一步发展是非平衡闭合磁场磁控溅射【28 1 ，其特征为使用多个按照一定方式安装的非平衡磁控溅射源，用于克服利用单靶在复杂基片表面均匀沉积薄膜所面临的困难。多靶系统中，相邻两个靶的关系可以是平行放置，也可以相对放置。相邻靶材中的磁场方式也有两种，如图1 1 1 所示【2 9 1 ，相邻磁极相反时，称为闭合磁场方式；相邻磁极相同时，称为镜面磁场方式。在闭合磁场方式中，磁力线在不同靶材之间闭合，被器壁损失的电子少，基片表面的等离子体密度高，到达基片表面的离子与原子比是镜面磁场方式或单靶非平衡磁场的2 3 倍以上，当基片与靶材间距增大时，闭合磁场对基片表面的离子与原子比率的影响更为显著。镜面方式中，磁力线被引向器壁，二次电子沿着磁力线运动被器壁消耗，导致基片表面的等离子体密度降低。侧视图俯俯( a ) 闭合磁场方式( 其平面)( b ) 闭合磁场方式( 垂直相对)( c ) 镜面磁场方式( 垂直相对)图1 。11 双靶非平衡闭合磁场磁控溅射结构图f i g 1 1ls c h e m a t i c so ft h ed u a lo p p o s i t eu n b a l a n c e dm a g n e t r o ns p u t t e r i n gs y s t e mj 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 rm 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【3 u j ，如图1 1 2 所示，它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 ) 和扫描模式( s c a n n i n gm o d e ) ；磁极的方向有两种排列方式：完全相同和交替排列；可以通过增加相邻磁路之间的距离和增加隔离铁厚度来设法消除相邻放电之间的影响，降低工作电压；增加磁极的数量和磁极之间的距离都可以降低工作压力。总的来说，目前全靶刻蚀特性的实现方式有两种：直接根据磁极附近的放电特一7 一 东北大学硕士学位论文第f 章绪论f。七扣( a )靶面上的相邻煎电( b )i 纠1 1 2 具有全靶剥蚀的矩形磁控溅射靶结构示意图( a ) 剖面图( b ) 俯视图f i g 1 12h a st h er e c t a n g u l a rm a g n e t i s l l lw h i c ht h ee n t i r et a r g e tf l a t t e n st oc o n t r 0 1t h es p u t t e r i n gt a r g e ts t r u c t u r es c h e m a t i cd r a w i n g ( a ) s e cc i o n a lv i e w ( b ) t o pv i e w性没汁和扫拙磁场。图1 13 和图1 14 所示的环状等离子体型磁控阴极( t p t 0 r o i d a lp l a s m at y p em a g n e t r o nc a t h o d e ) 3 1 1 以及附加极磁控靶( i n t e r p o l em a g n e t r o nt a r g e t ) 3 2 1都属于6 仃一种方式；i ，j 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后一种方式。图1 13 环状等离子体型磁控阴极示意图平面靶f i g 1 13s c h e l l l a t i co ft o r o i d a lp l a s l n at y p e1 n a g n e t r o nc a t h o d e( a ) 传统的磁控溅射基片等离子体l isns( b ) 等离干体的完全限制( c ) 环状等离子体型磁控阴极图1 14 二二种阴极设计比较环状靶面f i g 1 14c o n l p a r i s o l lo ft h r e ec a t h o d ed e s i g n s环状等离干体除了对靶内结构进行改造以外，科技工作者还通过改变溅射空问中的磁场分机一8 一 东北大学硕士学位论文第l 章绪论来试图提高利用率。r v u t a a i 等人是将靶外侧的接地屏蔽罩换成磁性材料，这样屏蔽罩和靶内的外磁铁环又形成磁回路，在靠近靶的边缘多了一个电子跑道，溅射时靶面也多了一个刻蚀环。m a n o j k o m a t h 和e i j i s h i d o j i 【3 3 】采用两个线圈来控制空间磁场。其中e i j i s h i do _ j i 是通过控制外侧线圈的电流来改变空间磁场，从而改变刻蚀环的位置。m i e k ok a s h i w a g i 等人在溅射铁磁靶时，为了扩大靶表面等离子体局限区域、延长靶的寿命，特地在靶表面放置一半径为2 0 m m 的铁磁性材料。从他们的实验看来，加了铁磁性材料后，靶表面附近平行于靶面方向的磁场分量发生明显的变化，电离碰撞发生区域增大，刻蚀区域也随之增大。但是，从他们的计算结果来看，增加磁性材料以后，靶的利用率只是得到了轻微的提高【3 4 】。华南理工大学的常天海【35 】设计了一种无屏蔽罩的矩形平面磁控溅射靶结构，显著增强了靶面磁场，为实现低电压磁控溅射提供了思路。此外，人们发现将整个溅射空间放置在磁场中，溅射效果会大不相同。这主要是由于外加磁场改变了溅射空间原来的磁场。苏州大学的赵新民( 3 6 】继续就外加磁场对磁控溅射的影响进行研究，并进行了大胆的尝试：完全去除靶内磁场，单纯依靠基片下磁铁产生的磁场发挥磁控作用，结果发现靶表面的磁场比起普通平面磁控溅射而言要均匀的多，在靶面上不再看到刻蚀环，靶材利用率有了明显的提高。m j t h w a i t e s 【j ，j 提出了一种等离子体产生与溅射分开的结构，原理图如图1 15所示，它由三部分组成：等离子体的产生部分、等离子体到靶表面的输运过程、等离子体对靶的溅射过程。石英管中通入a r 气后，在射频电源和射频线圈的作用下产图1 1 5 设备的原理图f i g 1 15p r i n c i p l ed r a w i n go ft h ee q u i p m e n t生等离子体，发射电磁线