矩形磁控濺射靶電磁場(chǎng)分析及優(yōu)化

佘鵬程，陳立寧，程文進(jìn)，龔 俊，陳長(zhǎng)平

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410111)

矩形磁控濺射靶電磁場(chǎng)分析及優(yōu)化

佘鵬程，陳立寧，程文進(jìn)，龔 俊，陳長(zhǎng)平

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410111)

對(duì)矩形濺射靶電磁場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而優(yōu)化濺射靶表面電磁場(chǎng)分布，增大均勻沉膜區(qū)域范圍，提高靶材利用率。

磁控濺射；濺射靶；電磁場(chǎng)；靶材利用率

磁控濺射鍍膜設(shè)備利用濺射方法，實(shí)現(xiàn)快速和低溫薄膜生長(zhǎng)，與熱蒸發(fā)和電弧鍍相比，磁控濺射沉積薄膜過(guò)程穩(wěn)定、控制方便、靶材設(shè)計(jì)性強(qiáng)，易獲得大面積均勻薄膜；同時(shí)，磁控濺射成膜的離子能量高于熱蒸發(fā)、低于電弧鍍，易獲得附著力強(qiáng)、致密度高、內(nèi)應(yīng)力小的薄膜。

隨著科技的進(jìn)步，磁控濺射設(shè)備技術(shù)愈加成熟，其成本逐漸被民用市場(chǎng)接受，磁控濺射技術(shù)不再局限于軍工、航空航天等領(lǐng)域關(guān)鍵元器件的制備應(yīng)用，目前已廣泛應(yīng)用到光學(xué)薄膜、薄膜太陽(yáng)能電池、半導(dǎo)體等領(lǐng)域。

對(duì)濺射鍍膜設(shè)備，其中濺射靶的設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵。磁控濺射鍍膜中靶的特性直接與濺射穩(wěn)定性和膜層特性相關(guān)，靶材利用率直接與鍍膜成本相關(guān)，因此如何提高鍍膜產(chǎn)品的性價(jià)比，增大有效沉膜區(qū)域面積，提高靶材利用率時(shí)用戶最為關(guān)注的問(wèn)題。

1 建立矩形濺射靶模型

磁控濺射鍍膜是在基片和陰極濺射靶之間附加正交電磁場(chǎng)，通入工藝氣體在靶材表面進(jìn)行輝光放電，形成等離子體區(qū)。在正交電磁場(chǎng)的作用下，電子以擺線的方式沿靶表面前進(jìn)，電子的運(yùn)動(dòng)被限制在一定空間內(nèi)，增加了電子與工作氣體分子的碰撞幾率，提高電子的電離效率。電子經(jīng)多次碰撞后，喪失能量成為“最終電子”進(jìn)入弱電場(chǎng)區(qū)，到達(dá)陽(yáng)極時(shí)已是低能電子，不會(huì)使基片過(guò)熱。氬離子則受電場(chǎng)的作用，轟擊靶材表面，靶材表面原子濺射沉積在基片表面形成薄膜。

濺射靶設(shè)計(jì)要考慮靶面的磁場(chǎng)分布、濺射速率、沉膜均勻性以及靶材的利用率，還要考慮導(dǎo)電、導(dǎo)熱、磁屏蔽、冷卻、密封和絕緣等諸多因素。其中電磁場(chǎng)的分布以及由以上諸因素決定的等離子體的特性最為重要，需要重點(diǎn)考慮。

理想的磁場(chǎng)應(yīng)該是在整個(gè)靶面范圍內(nèi)均勻分布，盡量增強(qiáng)靶面范圍內(nèi)各處磁場(chǎng)的水平分量，提高其均勻性。但在實(shí)際的濺射靶結(jié)構(gòu)中，不均勻分布的磁場(chǎng)產(chǎn)生密度不均勻分布的等離子體，因而靶面上不同位置的濺射速率不同，對(duì)靶材的刻蝕速度不同，同時(shí)膜層沉積的均勻性也不好。顯然增加磁場(chǎng)均勻性能夠增加靶面刻蝕的均勻性，從而延長(zhǎng)靶的壽命，提高靶材的利用率；同時(shí)合理的電磁場(chǎng)分布還能夠有效地提高濺射過(guò)程的穩(wěn)定性。

矩形磁控靶的電磁場(chǎng)主要與陽(yáng)極、靶材、磁體有關(guān)，其余部件對(duì)靶材上方的電磁場(chǎng)沒(méi)有影響，在電磁場(chǎng)計(jì)算模型中去掉，用以簡(jiǎn)化模型，如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)化矩形磁控靶的XZ方向剖視圖

2 矩形濺射靶表面電磁場(chǎng)分析

2.1 矩形濺射靶表面電場(chǎng)分析

磁控濺射靶的電場(chǎng)影響等離子體的能量和分布，筆者分析了陽(yáng)極與靶材之間的距離、電勢(shì)差對(duì)靶材表面電勢(shì)分布的影響。

根據(jù)矩形磁控濺射靶模型結(jié)構(gòu)，可知在靶材表面電勢(shì)分布如圖2所示。

圖2 矩形濺射靶表面電勢(shì)分布切片圖

陽(yáng)極與靶材之間的距離L為1.5 mm和3 mm時(shí)，在靶材表面5 mm、10 mm、15 mm處電勢(shì)變化如圖3所示。

通過(guò)分析結(jié)果，可以看出單純從靜電場(chǎng)角度計(jì)算，陰陽(yáng)極之間的距離改變對(duì)電場(chǎng)的影響不大，對(duì)刻蝕的均勻性影響不大。影響主要體現(xiàn)在靠近靶邊緣處，會(huì)改變?cè)撎幍入x子體的分布狀態(tài)，需要在直流放電模型中進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。

而改變陽(yáng)極與靶材之間的電勢(shì)差，在濺射靶表面各距離處的電勢(shì)會(huì)隨著電勢(shì)差的增大而增大，但僅在數(shù)值上改變電勢(shì)的大小，對(duì)電場(chǎng)分布形狀基本沒(méi)有影響。

2.2 矩形濺射靶表面磁場(chǎng)分析

磁控濺射靶表面的水平磁場(chǎng)是影響等離子體分布的主要因素，它決定了濺射電流和刻蝕形貌，進(jìn)而決定薄膜沉積的均勻性、靶材利用率。

在電場(chǎng)仿真計(jì)算模型的基礎(chǔ)上增加磁場(chǎng)模塊，增加內(nèi)磁體和外磁體，外磁體由四塊磁體拼裝而成。磁體距離靶材下表面3 mm，靶材厚6 mm，內(nèi)外磁體相對(duì)靶材對(duì)中分布。濺射靶表面水平磁場(chǎng)分布如圖4所示。

從上圖的計(jì)算結(jié)果可以看出，各平面的磁場(chǎng)都具有環(huán)形跑道形狀，這與矩形靶材的刻蝕形貌一致；隨著計(jì)算平面至靶表面距離的增大，磁場(chǎng)逐漸減弱；距靶表面越近，長(zhǎng)度方面的水平磁場(chǎng)比寬度方向的越大；在z=25 mm時(shí)，長(zhǎng)度方向與寬度方向的磁場(chǎng)大小基本接近。

圖3 陽(yáng)極與靶材間距變化對(duì)靶材表面電勢(shì)分布的影響

圖4 矩形磁控靶磁場(chǎng)分布圖

為了進(jìn)一步研究矩形磁控濺射靶表面磁場(chǎng)的分布，我們將靶長(zhǎng)除去兩端各一個(gè)靶寬的范圍定義為直跑道區(qū)，兩端其它位置歸于端部，如圖5所示，來(lái)分析磁場(chǎng)沿三個(gè)方向上的分布情況：直跑道區(qū)域沿x方向磁場(chǎng)分布、水平磁場(chǎng)沿y方向的均勻性、端部區(qū)域的磁場(chǎng)分布。

圖5 普通矩形磁控靶磁鐵排布結(jié)構(gòu)

對(duì)于直跑道區(qū)域，距離端部較遠(yuǎn)時(shí)，磁場(chǎng)只有x和z分量，y分量幾乎為零。當(dāng)距離端部較近時(shí)，y分量值增大，而且隨y方向位置不同變化迅速，此時(shí)磁場(chǎng)的y分量對(duì)水平分量的影響已經(jīng)十分顯著。測(cè)量可知端部位置x分量磁場(chǎng)強(qiáng)度弱于直跑道區(qū)域，對(duì)靶材的濺射刻蝕效率低。

由于靶材端部的不均勻刻蝕造成了靶材端部位置區(qū)域沉膜不均勻，不能作為有效濺射區(qū)，同時(shí)還降低了靶材利用率。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道將矩形平面磁控濺射靶的磁體設(shè)計(jì)成跑道形結(jié)構(gòu)，即將矩形靶外側(cè)磁鋼端部設(shè)計(jì)成圓弧形，如圖6所示。

圖6 跑道型磁體示意圖

跑道型磁體結(jié)構(gòu)濺射靶表面磁場(chǎng)分布如圖7所示。

圖7 跑道型磁體濺射靶表面磁場(chǎng)分布

比較兩種結(jié)構(gòu)靶表面磁場(chǎng)，跑道型結(jié)構(gòu)靶的端部磁場(chǎng)減弱區(qū)面積明顯縮小，在滿足沉膜均勻性要求的情況下增大了有效均勻沉膜區(qū)域，提高了靶材利用率。

3 矩形磁控濺射靶設(shè)計(jì)驗(yàn)證

通過(guò)優(yōu)化矩形磁控濺射靶表面電磁場(chǎng)，分析靶基距對(duì)沉膜均勻性的影響，獲得較佳的沉膜效果和靶材利用率，最終設(shè)計(jì)得矩形磁控濺射靶如圖8所示。

圖8 矩形濺射靶

設(shè)計(jì)矩形濺射靶靶材尺寸為 76 mm× 400 mm×6 mm，沉膜基片布置區(qū)域?qū)挾葹?00 mm，對(duì)中分布，通過(guò)基片在靶材下方往復(fù)掃描實(shí)現(xiàn)均勻性沉膜。以工藝參數(shù)濺射功率1 500 W，掃描15次，濺射壓強(qiáng)0.5 Pa，三批次沉膜結(jié)果數(shù)據(jù)如圖9，均勻性均優(yōu)于3%。

圖9 沉膜均勻性曲線

圖10為濺射靶材刻蝕形貌照片，由圖中可以看出，靶材刻蝕區(qū)域大，刻蝕環(huán)平緩，靶材利用率預(yù)計(jì)40.8%左右。

圖10 濺射靶材刻蝕形貌

4 結(jié)論

磁控濺射靶面附近的電磁場(chǎng)分布對(duì)濺射靶材刻蝕起著重要作用，在濺射靶實(shí)際設(shè)計(jì)中，通過(guò)優(yōu)化仿真分析，可有效地改善濺射靶的電磁場(chǎng)分布，增大有效均勻沉膜區(qū)域，提高靶材利用率，在濺射鍍膜工藝生產(chǎn)中提高產(chǎn)能，節(jié)約成本。

[1] 劉翔宇，趙來(lái)，許生，等.磁控濺射鍍膜設(shè)備中靶的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].真空，2003，(4)：16-22.

[2] 石中兵，童洪輝，趙嘉學(xué).磁控濺射矩形靶磁場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].真空與低溫，2004，10(2)：112-116.

[3] 余東海，王成勇，成曉玲，等.磁控濺射鍍膜技術(shù)的發(fā)展[J].真空，2009，46(2)：19-25.

[4] 李泉鳳.電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算與電磁鐵設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002．

[5] 趙華玉，牟宗信，賈莉，等.平面磁控濺射靶磁場(chǎng)的計(jì)算[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，28(3)：271-274.

[6] 劉翔宇，趙來(lái)，許生，等.磁控濺射鍍膜設(shè)備中靶的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].真空，2003，(4)：16-22.

[7] 李云奇.真空鍍膜技術(shù)與設(shè)備[M].沈陽(yáng)：東北工學(xué)院出版社，1989.

Electromagnetic Field Analysis and Optimization of Rectangular Magnetron Sputtering Target

SHE Pengcheng，CHEN Lining，CHEN Wenjin，GONG Jun，CHEN Changping

(The 48thResearch Institute of CETC，Changsha 410111，China)

This paper，the electromagnetic field of the rectangular sputtering target is simulated and optimized，so as to optimize the electromagnetic field distribution on the surface of the sputtering target，increase the range of the uniform deposited film，and improve the target utilization.

Magnetron sputtering；Sputtering target；Electromagnetic field；Target utilization

TN305.92

A

1004-4507(2017)04-0035-04

佘鵬程（1982-），男，高級(jí)工程師，主要從事電子整機(jī)裝備的研制工作。

2017-04-05