磁控濺射靶磁場結構優化后實際刻蝕效果與實驗
圖8 所示為使用改進的磁場結構形成的靶材的刻蝕輪廓。
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。
磁控濺射靶磁場結構優化后實際刻蝕效果實驗及分析
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5×10-3Pa,工作氣體為氬氣,工作真空度為2.3×10-1Pa,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1200mm×120mm,靶功率為15kW。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
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:
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2.3×10-1Pa和3.9×10-1Pa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
可以得到ln(I)和ln(U)的線性關系,n為直線的斜率。通過最小二乘法,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。
圖10 不同氣壓下靶的伏安特性曲線
表1 不同真空度下n值
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。
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