一種全靶腐蝕磁控濺射設(shè)備

1、第44卷第6期Vol.44,No.6真空災粵悅哉哉醞一種全靶腐蝕磁控濺射設(shè)備郝萬順1,吳志明1,王濤1,王秋來2,黃文符2(1.電子科技大學光電學院,四川成都610054;2.沈陽市超高真空應用技術(shù)研究所,遼寧沈陽110015摘要:傳統(tǒng)的磁控濺射設(shè)備由于等離子體在靶面形成跑道效應,所以存在著靶材利用率低,反應濺射于這種結(jié)構(gòu)構(gòu)造了一個實驗平臺對其進行了研究,實現(xiàn)了全靶腐蝕,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞:磁控濺射;全靶腐蝕;磁場模擬中圖分類號:TB43文獻標識碼:B文章編號:1002-0322(200706-0018-04A novel magnetron sputtering device wit

2、h full target erosionHAO Wan-shun1,WU Zhi-ming1,WANG Tao1,WANG Qiu-lai2,HUANG Wen-fu2Key words:magnetron sputtering;full target erosion;magnetic field simulation磁控濺射技術(shù)有著很廣泛的用途,在這些應用中,由于傳統(tǒng)的磁控濺射技術(shù)存在著一些固有的不足,最顯著的問題是等離子體在靶面形成跑道,所以存在著靶材利用率低,反應過程尤其是在進行反應濺射過程中很不穩(wěn)定1。要從根本上解決上述的問題則必須使等離子體能夠在靶面形成靶面全腐蝕。通常有兩種方法達

3、到靶面全腐蝕的目的2:(a將靶設(shè)計成閉合等離子體跑道的形狀,如圓錐形等離子體磁控管3;(b掃描產(chǎn)生閉合磁控管放電的磁鐵,如全腐蝕矩形靶和圓柱形平面式磁控濺射靶4。1實驗原理產(chǎn)生等離子的方法有多種,例如電感耦合等離子體,電容耦合等離子體,微波等離子體和螺旋波等離子體等等。設(shè)備中采用了電感耦合等離子體方式5。射頻線圈、射頻電源、石英管構(gòu)成產(chǎn)生離子源的裝置。石英管中通入Ar氣后,在射頻電源和射頻線圈的作用下產(chǎn)生等離子體。將靠近石英管的直流線圈定義為發(fā)射線圈,靠近靶的部分定義為偏轉(zhuǎn)線圈。由于發(fā)射線圈的存在,使之收稿日期:2007-01-02作者簡介:郝萬順(1982-,男,山西省太谷縣人,碩士。聯(lián)系人

4、:吳志明,教授、博導。第6期郝萬順,等:一種全靶腐蝕磁控濺射設(shè)備與單一的電感耦合等離子體有一些不同,它提高了等離子體的電離率,在試驗中可以看到等離子體在加發(fā)射線圈電流后明顯發(fā)亮。 石英管中產(chǎn)生的等離子體在直流偏壓的作用下到達靶表面進行濺射。而發(fā)射電磁線圈和偏轉(zhuǎn)電磁線圈產(chǎn)生的空間磁場將約束等離子體使其在空間形成從石英管到濺射靶的連續(xù)的等離子體。流過線圈的電流決定了線圈產(chǎn)生的磁場的大小,磁場的方向。所以由發(fā)射電磁線圈和偏轉(zhuǎn)電磁線圈在真空室內(nèi)形成的空間磁場的強度和分度就顯得很重要。由于兩個方向相反的磁場在空間中會相互抵消,所以兩個電磁線圈產(chǎn)生的磁場方向必須一致。 圖1設(shè)備的原理圖Fig.1Schem

5、atic of Thwaites s suggestion2實驗平臺設(shè)計和實驗結(jié)果分析2.1實驗平臺設(shè)計 試驗平臺中,產(chǎn)生等離子體的具體部分由石英管,與石英管同心的射頻線圈,射頻電源和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)組成。射頻電源采用頻率為13.56MHz ,功率為500W 。石英管一端連入真空室,一端通氣體,射頻線圈以圓的銅管繞成,運行時銅管通冷水,限制其發(fā)熱和穩(wěn)定表面電阻。濺射靶接直流偏壓電源的負極進行濺射。 本文中利用ANSYS 對發(fā)射電磁線圈和偏轉(zhuǎn)電磁線圈在真空室內(nèi)形成的磁場分布和磁場強度進行了模擬8。圖2和圖3分別為是兩個直流線圈磁場方向一致時在真空室產(chǎn)生的磁場的分布和沿路徑地磁場強度分布。圖中沒有箭頭

6、的那條線極為定義的路徑,用于觀察磁場強度在空間的分布。由圖2的磁場分布可以看出當兩個直流線圈方向一致時能夠產(chǎn)生約束等離子體連續(xù)的磁場。沿路徑所產(chǎn)生的磁場強度最高為529Gauss ,最低為209Gauss ?？梢姶艌鰪姸冗_到了發(fā)射線圈為50Gauss ,偏轉(zhuǎn)線圈為500Gauss 的要求7。圖4和圖5分別為是兩個直流線圈磁場方向不一致時在真空室產(chǎn)生的磁場的分布和沿路徑地磁場強度分布。可以看到磁場分布是不連續(xù)的,沿路徑的磁場強度最高為482Gauss ,最低為91Gauss ,盡管磁場強度滿足要求,但是由于磁場分布的不連續(xù),所以不會約束形成連續(xù)的等離子體。圖2兩個直流線圈磁場方向一致時真空室內(nèi)的

7、磁場分布仿真Fig.2Simulation of the magnetic field distribution in vacuum chamberthat two DC coils magnetic fields coinside in the same direction圖3兩個直流線圈磁場方向一致時真空室內(nèi)磁場沿路徑的強度分布Fig.3Intensity distribution of magnetic field along the route when twoDCcoils magnetic fields coincide in the same directio圖4兩個直流線圈磁場

8、方向不一致時真空室內(nèi)的磁場分布仿真Fig.4Simulation of magnetic field distribution that two DC coils mag-netic fields don t coinside in direction圖5兩個直流線圈磁場方向不一致時真空室內(nèi)磁場沿路徑的強度分布Fig.5Intensity distribution of magnetic field along the route when twoDC coils magnetic fields don t coincide in direction在上述裝置的基礎(chǔ)上再加上真空系統(tǒng)就構(gòu)成了試驗

9、平臺。采用不銹鋼為靶材我們針對19··真空VACUUM 第44卷圖6與圖7為氣壓和離子源功率對濺射的影響圖中橫坐標為直流濺射電源的電壓值,靶電壓就是所對應數(shù)值的負值?？v坐標為靶的濺射電流。由圖6可以看到,當真空室中氣壓為1Pa 時,直到靶電壓到達-500V 的時候,才會出現(xiàn)微弱的靶電流,直到靶電壓到達-1200V 時,靶電流最大不超過10mA ;當真空室中氣壓為10Pa 時,靶電壓為-200V 的時候,出現(xiàn)微弱的靶電流,靶電壓到達-1000V 時,靶電流為15mA ;當真空室中氣壓為16Pa 時,靶電流隨靶電壓的增加增加很快,在靶電壓為-800V 時,靶電流達到了70mA

10、。 圖6當氣壓一定的情況下,改變離子源的功率的情況Fig.6Power diagram when ion source is changed under constantpressure 圖7當離子源的功率為一定時改變氣壓的情況Fig.7Pressure changes when the power of ion source is constant 由圖7可以看出,離子源功率對靶電流靶電壓曲線的影響,在離子源功率為155V 、2A,有用功率為30%時,靶電流隨靶電壓增加增加很慢,當靶電壓為-900V 時,靶電流為18mA ;在離子源功率為192V ,2A,有用功率為50%時,靶電流隨靶電壓增

11、加增加很快,當靶電壓為-900V 時,靶電流75mA ?？梢娫谄渌鼦l件相同的情況下,增加真空室氣壓,可以提高濺射電流;增加濺射電壓,濺射電流增加,但是沒有到達飽和;增加離子源的功率,濺射電流增加;但是沒有實現(xiàn)濺射中濺射電流的飽和?？赡艽嬖诘脑蚴且驗樯漕l濺射電源的功Ar 等離子體的輝光顏色的性質(zhì):等離子體的顏色為粉紅色表明等離子體中存在的是沒有離化的高濃度的激發(fā)Ar 原子;當?shù)入x子體是深藍色表明等離子體中Ar 離子體的濃度遠高于沒有離化的激發(fā)的Ar 原子1。在實驗中觀察到的輝光現(xiàn)象有:(1發(fā)射直流電磁線圈的磁場能提高等離子體的電離效率。當射頻電源的功率不是很高時,石英管內(nèi)產(chǎn)生的等離子體的輝光顏

12、色是淡藍色的,但是當逐漸加大發(fā)射電磁線圈的電流時可以看到石英管內(nèi)的等離子體的顏色由淡藍色轉(zhuǎn)為粉紅色。這是因為電磁鏡能夠增強氣體的離化程度從而提高等離子體離化度7。(2打開射頻電源產(chǎn)生等離子體,調(diào)節(jié)直流電磁線圈的電流到合適的值,然后慢慢增加濺射電源電壓,當濺射電源電壓增加到一定的值以后就會在真空室觀察到連通的等離子體;此時石英管管內(nèi)的等離子體是粉紅色的,真空室內(nèi)的等離子體是藍色的,真空室內(nèi)的等離子體中的Ar 離子體的濃度遠高于沒有離化的激發(fā)的Ar 原子;當同時改變直流電磁線圈電流的方向時,等離子體仍然是連通的,但是當兩個直流電磁線圈產(chǎn)生的磁場方向不一致時,等離子體斷開,這個現(xiàn)象與前面的仿真結(jié)果一

13、致?？梢钥吹揭_到等離子體連通的目的,兩個直流電磁線圈產(chǎn)生的磁場的方向必須是一致的,但是磁場的具體方向?qū)Φ入x子體沒有影響。下圖濺射時真空室中等離子體的圖片。圖8真空室內(nèi)的等離子體Fig.8Plasma in vacuum chamber圖8中出現(xiàn)的一個問題是連續(xù)的等離子體輝光有一些發(fā)散。主要的原因是因為偏轉(zhuǎn)線圈半徑太大,產(chǎn)生的磁場布滿在真空室中,所以等離20··第6期郝萬順,等:一種全靶腐蝕磁控濺射設(shè)備子體被約束的范圍相對于真空室太大,效果不明為了進一步說明靶的全刻蝕,將靶表面全部涂滿石墨,濺射完后的靶面如下圖?？梢?實現(xiàn)了全靶腐蝕。由圖2中磁場模擬的結(jié)果也可以看到,由于磁

14、場在真空室中從石英管口到靶表面的特殊分布,約束了等離子體的運動,從而實現(xiàn)了全靶腐蝕。 圖9涂滿石墨濺射后的靶面情況Fig.9Target surface with graphite spread over it after sputtering3結(jié)論子體受磁場約束的原理構(gòu)造了一個實驗平臺實現(xiàn)了等離子體在真空室中連通,實現(xiàn)了全靶腐蝕,其中兩個直流線圈產(chǎn)生的磁場必須一致,但是具體的磁場方向?qū)Y(jié)果沒有影響。但是由于射頻濺射電源的功率太小,使得等離子體離化不夠,濺射電流沒有出現(xiàn)隨靶濺射電壓升高而飽和的現(xiàn)象,也導致了所需的濺射氣壓較高,因此提高射頻電源的功率是一種有效改善其性能的方法.參考文獻:1Vop

15、saroiu and Marian Novel Sputtering Technology forGrain Size Control J.IEEE Transactions on Magnetics,2004,40(4II:2443-2445.2Musil J.Rectangular magnetron with full target erosion J.4174.4孫東明.圓柱形平面式磁控濺射靶的特點與設(shè)計原理J.昆明理工大學學報,2000,25(2.5菅井秀郎.日本OHM 社.等離子體電子工程學M.北京:科學出版社,2002.6Gregor Campbell.High density plasma deposition.P.USPatent No.4990229.京:中國鐵道出版社,2003.遼寧真龍真空設(shè)備制造有限