磁控濺射靶的磁場的優化設計
為了提高靶材的利用率,幾十年來,已經有了很多優秀的解決方案, 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最佳的解決方案。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優秀的靶面磁場分布。結構形式如圖3 所示。
圖3 磁鋼去角
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, 當到達跑道邊緣磁場的水平分量低于200Gs,刻蝕現象已經不明顯。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完全平行于靶面。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, 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
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