磁控濺射是現代zui重要的鍍膜方法之一, 具有簡單, 控制工藝參數和成膜質量好等特點。然而也有靶材利用率低、成膜速率低和離化率低等缺點。研究表明磁場結構對上述問題有重要影響, 本文介紹了一種磁控濺射靶磁路優化設計方案。并對改進的磁場結構和一般的磁場結構進行了分析比較, 并給出了實驗結果。

　　近幾十年來, 磁控濺射技術已經成為zui重要的沉積鍍膜方法之一。廣泛應用于工業生產和科學研究領域。如在現代機械加工工業中,利用磁控濺射技術在工件表面鍍制功能膜、超硬膜、自潤滑薄膜。在光學領域, 利用磁控濺射技術制備增透膜、低輻射膜和透明導膜, 隔熱膜等。在微電子領域和光、磁記錄領域磁控濺射技術也發揮著重要作用。然而磁控濺射技術也有其自身的不足, 如靶材利用率低、沉積速率低和離化率低等缺點。其中靶材利用率是由于靶面跑道的存在,使等離子體約束于靶面的局部區域, 造成靶材的區域性濺射。跑道的形狀是由靶材后面的磁場結構所決定的。提高靶材利用率的關鍵是調整磁場結構, 使等離子體存在于更大的靶面范圍, 實現靶面的均勻濺射。對于磁控濺射, 可以通過增加靶功率的方法實現濺射產額的提高, 但是由于熱載荷的影響, 靶材可能出現融化和開裂的問題。　　這些問題可以通過在相同靶材面積的情況下, 使靶面的濺射面積增加, 導致靶面的功率密度降低來解決。所以對磁控濺射陰極的磁場設計一直以來都在不斷的進步。其中比較有代表性的如: 圓形平面磁控濺射源, 通過合理設計磁場, 使形成的跑道通過靶面中心, 利用機械傳動裝置旋轉磁體, 實現靶面的全面濺射； 矩形平面磁控濺射源, 通過傳動機構使磁體組合在靶材背面做菱形或梅花形運動, 使整體靶材利用率達到61%; 通過多磁路的配合調整, 實現靶面低壓全面刻蝕。調整磁場的結構還可以改善膜厚度的均勻性。通過調整磁場的強弱比例, 而發展的非平衡磁控濺射技術, 更是具有離子鍍的功能。所以說磁路設計是磁控濺射源中zui重要的部分。

1、磁控濺射靶的磁場排布

　　在平面磁控濺射靶中, 磁鋼放置于靶材的后面, 穿過靶材表面的磁力線在靶材表面形成磁場。其中平行于靶面的磁場B 和垂直靶表面的電場E , 形成平行于靶面的漂移場E×B。漂移場E×B 對電子具有捕集阱的作用, 從而增加了靶面這一區域的電子密度, 提高了電子與中性氣體分子的碰撞幾率, 強化了濺射氣體的離化率, 從而增加了濺射速率。對于通常的平面矩形磁控濺射靶, 磁鋼排列如圖1 所示（ 相鄰磁鋼極性相反, 即NSN 或SNS） 。

圖1 磁鋼排布和磁力線分布　　圖2 通常磁鋼排布形成的刻蝕

　　圖1 中的磁力線分布是通過數值模擬方法計算出來的, 可以看出在靶面磁力線近似平行于靶面的范圍很窄。由于在磁控濺射系統中, 靶面的濺射區域主要集中在磁力線近似平行于靶面的范圍。隨著濺射不斷進行, 刻蝕槽的寬度隨著刻蝕深度的增加不斷變窄, zui后形成的刻蝕輪廓如圖2 所示。　　通過面積計算可知, 上述的磁鋼排列方式,靶材的利用率大約只有20%。可見通常的磁鋼排列方式, 難以獲得高的靶材利用率和沉積速率。

2、磁場的優化設計

　　為了提高靶材的利用率, 幾十年來, 已經有了很多的解決方案, 如本文開始提到的一些, 但是大都是通過磁體的機械運動, 使磁場在靶面形成的跑道均勻的掃過靶面, 實現靶面均勻刻蝕。由于存在運動機構, 勢必使靶的結構變得復雜。所以通過靜態磁鋼的合理排列, 而獲得理想的磁場分布是*的解決方案。在一些文獻中提到過幾種靜態的磁場改進設計, 想通過改變磁鋼形狀, 如想采用磁鋼去角的方法獲得的靶面磁場分布。結構形式如圖3 所示。　　通過數值計算可知, 圖3 中的磁力線的形狀沒有大的變化, 但是靶面磁場的強度卻相對減弱, 可見效果并不明顯。由于濺射刻蝕主要發生在磁力線近似平行于靶材表面的區域, 所以優化設計的基本方法就是使磁力線盡量多的平行于靶面。以下的改進設計方法就是基于此原理。在本文中采用的是磁路疊加原理。磁鋼排列如圖4所示。

圖3 磁鋼去角　　圖4 改進的磁鋼排布

　　圖4 中, 在內外兩磁路中加入反向磁場,保證相鄰磁鋼極性相反。對于通常的磁場形式, 在跑道的*, 水平磁場強度zui大, 從*向兩邊水平磁場強度逐漸變小, 通過實際測量, 當到達跑道邊緣磁場的水平分量低于200 Gs, 刻蝕現象已經不明顯。圖4 中, 反向磁場的作用是使跑道*的水平磁場強度減弱, 同時小磁鋼與相鄰的大磁鋼形成磁路, 結果把跑道邊緣的水平場強度增強。從圖4 中的磁力線分布情況可以看到反向磁場起到了平滑和寬展靶面磁力線的作用。理想的情況是實現在靶面的磁力線*平行于靶面。這可以套用數學上的傅立葉級數公式加以說明。

　　由傅立葉變換可知, 對于矩形波可以由一系列不同頻率的正弦波疊加而成。因為的磁場形式是靶面的磁力線*平行于靶面, 這樣靶面的磁場可以看成一段矩形波, 在內外兩磁路中插入反向磁場相當于取兩項展開。如圖5 所示。在圖4 中, 大磁鋼形成的磁場相當于圖5 中的展開式1, 小磁鋼之間, 及小磁鋼與大磁鋼之間形成的磁場相當于圖5 中的展開式2, 根據磁路疊加, zui后形成的水平磁場是接近于矩形波的雙峰形式。在改進的磁路設計中就是利用這一原理。從圖4 和圖5 中可以看出, 靶面的磁力線和磁場強度的水平分量更加平滑, 能夠有效地增加靶面跑道的寬度, 實現靶面均勻刻蝕。

圖5 傅立葉變換

3、有限元分析計算

　　本文采用Ansys 通用有限元計算軟件進行磁場的對比分析。對一般形式的磁鋼排列方式和優化的多路磁鋼排列分別進行了計算。兩種方式的磁鋼材料相同, 通過計算分析靶面總的磁通量密度BSUM 及其水平分量BX 和豎直分量BZ 與靶面水平坐標的關系如圖6, 7 所示。

圖6 通常的磁路的計算結果　　圖7 優化磁路設計的計算結果

　　圖6 為通常的磁場的計算結果, 圖7 為改進的磁場的計算結果。對于各自的靶面位置, 是根據兩種磁場結構各自的合理位置選取的。比較圖6 和圖7 中磁通密度的水平分量BX 的圖形, 圖6中BX 曲線為單峰形式, 同時單峰的陡峭程度比較大, 由磁鏡原理可知, 磁場梯度大, 等離子體被約束在峰*的幾率越大, 所以這種磁場結構更容易形成窄的刻蝕槽。圖7 中磁通密度的水平分量BX 曲線為雙峰形式。雙峰結構正是磁場疊形成的結果。同時磁場在跑道區梯度變小, 這些都有利于靶面的均勻刻蝕。通過調整附加磁場的位置和磁場的強度, 可以使BX 曲線分量在較大的靶面范圍內近于平行。可見改進的磁場位形更加有利于靶面的均勻濺射, 擴展了靶面的濺射范圍。

4、改進磁場結構靶面實際刻蝕

　　圖8 所示為使用改進的磁場結構形成的靶材的刻蝕輪廓。

圖8 改進磁鋼排布形成的刻蝕

　　在工業生產設備中濺射靶采用上述的磁場排布形式, 能夠克服在通常磁鋼排列中出現的一些問題。包括: 由于靶材的濺射范圍比較窄, 造成靶材的利用率不高。根據圖2 和圖8 所示, 靶材的利用率將有很大的提高。有些靶材價格比較昂貴, 利用率不高, 勢必造成生產成本增加。由于通常磁鋼排列形式的靶面非均勻濺射, 隨著濺射的不斷進行, 靶面的刻蝕范圍越來越窄, 在濺射功率恒定的情況下, 靶材的刻蝕深度會加速進行,靶材的使用壽命大為縮短, 在整個生產周期中,增大了換靶頻率, 導致生產效率下降, 從生產工藝考慮, 由于靶濺射范圍窄, 在靶面非刻蝕區域容易造成濺射粒子的二次沉積, 二次沉積容易形成碎片, 脫落后造成膜的污染, 這是膜污染的主要來源。在鍍介質膜時, 反應氣體在靶面非濺射區域容易形成不導電的介質膜, 在介質膜上的電荷積累到一定的成度, 形成弧光放電, 造成等離子體的不穩定。優化磁場結構設計制造的磁控濺射源能夠有效的解決上述問題, 無論在金屬模式下, 還是在反應模式下鍍膜, 對生產效率的提高,都有很大的促進作用。

5、實驗及分析

　　實驗的主要內容是比較通常磁場結構和優化的磁場結構濺射源沉積成膜的均勻性。為了對比說明, 兩種結構的濺射靶保持在相同的工藝條件, 實驗中本底真空為5 ×10^{- 3} Pa , 工作氣體為氬氣, 工作真空度為2.3 ×10^{- 1} Pa , 真空度和氣體流量分別由真空計和氣體流量來調節和控制。實驗中兩種磁場結構靶面尺寸都為1200 mm×120 mm, 靶功率為15 kW。在實驗中采用晶振儀動態測量膜的厚度。晶振片距離靶面距離為100 mm, 在沉積成膜時, 晶振儀探頭從靶面的一端移動到另一端。測量結果經過單位換算如圖9 所示。可見改進的磁場結構沉積成膜的均勻性要比通常結構的沉積成膜要好。對于通常磁場結構鍍制膜的均勻性偏差大致有20%, 而改進的磁場結構沉積成膜的均勻性偏差大致有10%。沉積成膜的均勻性的提高是由于靶濺射面積的增加所引起的。

圖9 兩種磁場結構膜的沉積速率　　圖10 不同氣壓下靶的伏安特性曲線

　　為了了解磁控濺射源的性能, 對兩種磁場結構的濺射源的伏安特性曲線進行了測量。磁控濺射的伏安特性曲線符合以下經驗公式:

 I=KUn （ 2）

　　式中I 是靶電流, U 為靶電壓, 其中n 稱為等離子體電子束縛效應系數。n 值反映的是跑道磁場對電子的捕集能力, n 值越大, 氣體放電的阻抗越低, 表明靶面磁場對電子的束縛越嚴密, 通常無磁場的標準二極濺射的n 值為1～2, 而磁控濺射的n 值通常在3～15 之間。實驗中分別測量靶在2.3×10^{- 1} Pa 和3.9×10^{- 1} Pa真空度下的伏安特性曲線。　　圖10 為孿生靶在不同氣壓下的伏安特性曲線。
　　對式（ 2） 兩邊取對數

ln（ I） =ln（ K） +nln（ U） （ 3）

　　可以得到ln （I）和ln （U）的線性關系, n 為直線的斜率。通過zui小二乘法, 求出數據的一次擬合曲線, 可以得出n 的值。表1 中列出了對于不同的氣壓下對應的兩種磁場結構的濺射源n 值。從表1 的結果可以看出, 優化的磁場結構對于電子的約束能力有所提高。

表1 不同真空度下n 值

6、結束語

　　提高靶材的利用率和靶面的均勻濺射, 以及濺射產額一直以來都是磁控濺射源設計需要考慮的重要問題, 不僅對磁控濺射系統的穩定工作, 對基材成膜質量, 尤其是膜的均勻性有很大的影響, 本文中的磁場設計, 提高了磁力線平行靶面的范圍, 對靶面的均勻濺射和靶材的利用率與通常的磁場結構相比有很大的提高。

來源：真空技術網