磁控濺射是現(xiàn)代最重要的鍍膜方法之一, 具有簡單, 控制工藝參數(shù)精確和成膜質(zhì)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(jié)構(gòu)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(yōu)化設(shè)計方案。并對改進的磁場結(jié)構(gòu)和一般的磁場結(jié)構(gòu)進行了分析比較, 并給出了實驗結(jié)果。

　　近幾十年來, 磁控濺射技術(shù)已經(jīng)成為最重要的沉積鍍膜方法之一。廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)和科學研究領(lǐng)域。如在現(xiàn)代機械加工工業(yè)中,利用磁控濺射技術(shù)在工件表面鍍制功能膜、超硬膜、自潤滑薄膜。在光學領(lǐng)域, 利用磁控濺射技術(shù)制備增透膜、低輻射膜和透明導膜, 隔熱膜等。在微電子領(lǐng)域和光、磁記錄領(lǐng)域磁控濺射技術(shù)也發(fā)揮著重要作用。然而磁控濺射技術(shù)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(qū)域, 造成靶材的區(qū)域性濺射。跑道的形狀是由靶材后面的磁場結(jié)構(gòu)所決定的。提高靶材利用率的關(guān)鍵是調(diào)整磁場結(jié)構(gòu), 使等離子體存在于更大的靶面范圍, 實現(xiàn)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(xiàn)濺射產(chǎn)額的提高, 但是由于熱載荷的影響, 靶材可能出現(xiàn)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)磁體, 實現(xiàn)靶面的全面濺射； 矩形平面磁控濺射源, 通過傳動機構(gòu)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(diào)整, 實現(xiàn)靶面低壓全面刻蝕。調(diào)整磁場的結(jié)構(gòu)還可以改善膜厚度的均勻性。通過調(diào)整磁場的強弱比例, 而發(fā)展的非平衡磁控濺射技術(shù), 更是具有離子鍍的功能。所以說磁路設(shè)計是磁控濺射源中最重要的部分。

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(qū)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(shù)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(tǒng)中, 靶面的濺射區(qū)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, 最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%�？梢娡ǔ５拇配撆帕蟹绞�, 難以獲得高的靶材利用率和沉積速率。

2、磁場的優(yōu)化設(shè)計

　　為了提高靶材的利用率, 幾十年來, 已經(jīng)有了很多優(yōu)秀的解決方案, 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(xiàn)靶面均勻刻蝕。由于存在運動機構(gòu), 勢必使靶的結(jié)構(gòu)變得復雜。所以通過靜態(tài)磁鋼的合理排列, 而獲得理想的磁場分布是最佳的解決方案。在一些文獻中提到過幾種靜態(tài)的磁場改進設(shè)計, 想通過改變磁鋼形狀, 如想采用磁鋼去角的方法獲得優(yōu)秀的靶面磁場分布。結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示。

　　通過數(shù)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(fā)生在磁力線近似平行于靶材表面的區(qū)域, 所以優(yōu)化設(shè)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(shè)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(nèi)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, 在跑道的中央, 水平磁場強度最大, 從中央向兩邊水平磁場強度逐漸變小, 通過實際測量, 當?shù)竭_跑道邊緣磁場的水平分量低于200 Gs, 刻蝕現(xiàn)象已經(jīng)不明顯。圖4 中, 反向磁場的作用是使跑道中央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(jié)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(xiàn)在靶面的磁力線完全平行于靶面。這可以套用數(shù)學上的傅立葉級數(shù)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。因為最理想的磁場形式是靶面的磁力線完全平行于靶面, 這樣靶面的磁場可以看成一段矩形波, 在內(nèi)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(jù)磁路疊加, 最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(shè)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(xiàn)靶面均勻刻蝕。

圖5 傅立葉變換