矩形磁控濺射靶磁場仿真與優(yōu)化設(shè)計

1、：月年】分類號密級學(xué)位論文矩形磁控濺射靶磁場仿真與優(yōu)化設(shè)計作者姓名：李鶴指導(dǎo)教師：張以忱副教授東北大學(xué)真空與流體工程研究所申請學(xué)位級別：碩士學(xué)科類別：工學(xué)學(xué)科專業(yè)名稱：流體機械及工程論文提交日期：年月論文答辯日門：學(xué)位授予吼年月煮辯委員會主向局匝評閱人：到略馬移東北大學(xué)年月，川洲蘭蘭川刪川：，獨創(chuàng)性聲明本人聲明，所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的。論文中取得：的研究成果除加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包括本人為獲得其他學(xué)位而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明并表示謝二凸：思。學(xué)位論文作者簽名：李磐日期：學(xué)位

2、論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者和指導(dǎo)教師完全了解東北大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定：即學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人同意東北大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索、交流。作者和導(dǎo)師同意網(wǎng)上交流的時間為作者獲得學(xué)位后：！半年口一年口一年半口兩年學(xué)位論文作者簽名：鴦鵜導(dǎo)師簽名：簽字日期：簽字日期：、東北大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要矩形磁控濺射靶磁場仿真與優(yōu)化設(shè)計摘：要磁控濺射已成為工業(yè)鍍膜生產(chǎn)中最重要的技術(shù)之一，尤其適合于大面積鍍膜生產(chǎn)。磁場分布在整個濺射過程中起著至關(guān)重要的作用，其磁場強度的大小、分布以及由以上諸因素決定了等離子

3、體的特性，從而對成膜質(zhì)量、靶表面刻蝕區(qū)的均勻程度以及靶材的利用率均有影響，因此相關(guān)課題的研究具有重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價值。本文討論了靶材刻蝕不均勻、膜層沉積速率低和均勻性不好等問題出現(xiàn)的原因，提出了解決問題的思路和方法，并且給出了磁場強度、磁場均勻性和磁體結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則，根據(jù)電磁場分布來判斷設(shè)計結(jié)構(gòu)是否合理。通過磁場的有限元模擬，分別分析了直跑道區(qū)域和端部區(qū)域磁鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)對靶面磁場均勻性和強度的影響，磁體安裝接縫及磁性能差異對靶面磁場的影響。分析指出磁鋼削角能夠增加靶面磁場平行度，削角大小對磁場平行度影響較小，但大削角明顯削弱磁場強度；通過比較不同寬度和高度磁鋼產(chǎn)生靶面磁場分布，得出一定靶結(jié)構(gòu)參數(shù)

4、下的磁鋼優(yōu)化尺寸；磁鋼上方增加鐵質(zhì)勻磁片能夠減小磁體安裝接縫及磁性能差異對靶面磁場的影響；設(shè)計出一種新的磁鋼排布結(jié)構(gòu)，其在直道區(qū)域和端部區(qū)域內(nèi)靶面磁場強度、磁場平行度及端部均勻性方面優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。設(shè)計了新型磁控濺射靶實驗，利用其他學(xué)者對相近結(jié)構(gòu)的實驗來代替設(shè)計實驗，間接驗證了改進(jìn)結(jié)構(gòu)能有效提高靶面刻蝕均勻性，消除端部拐彎處刻蝕嚴(yán)重的現(xiàn)象，進(jìn)而“相對”延長靶的壽命；并且證明通過均勻磁場分布來提高靶面刻蝕均勻性這一方法的合理性。關(guān)鍵詞：磁控濺射；濺射靶；磁場分布；有限元模擬、，、，：，：；，：；東北大學(xué)碩士學(xué)位論文東北大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄目錄，、聲目月中文摘要第章緒論課題研究的目的和意義課題研究的

5、背景與現(xiàn)狀課題的研究內(nèi)容論文研究思路及難點第章矩形磁控濺射靶磁場分析理論電子在磁控濺射電磁場中的三維運動帶電粒子在非均勻電磁場中的運動刻蝕跑道斷面形狀的解釋及臨界磁場磁場在磁控濺射過程中的作用傳統(tǒng)磁控濺射靶存在的問題膜層沉積速率低膜層沉積不均勻靶材刻蝕不均勻第章矩形平面靶磁場分析利用電磁場分析軟件求解磁場。有限元法基本原理和分析步驟軟件。磁控靶物理模型的建立靶的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計的具體步驟靶面磁場的模擬計算與分析磁場的設(shè)計原則磁體的結(jié)構(gòu)設(shè)計直跑道磁場計算、，少東北大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄端部磁場計算磁體安裝接縫及磁性能差異對磁場的影響第章實驗設(shè)計與驗證實驗?zāi)康膶嶒炘O(shè)備測量與實驗方案測試方案實驗結(jié)果軟件模

6、擬準(zhǔn)確性驗證模擬方法驗證磁鋼削角結(jié)構(gòu)驗證端部磁場設(shè)計驗證一第章結(jié)論與展望結(jié)論展望參考文獻(xiàn)致謝間接實驗驗證東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論第章緒論，課題研究的目的和意義磁控濺射鍍膜技術(shù)廣泛應(yīng)用在透明導(dǎo)電膜、超硬鍍膜、抗腐蝕鍍膜、磁性鍍膜、建筑玻璃鍍膜、光學(xué)鍍膜以及裝飾用鍍膜等諸多領(lǐng)域，已經(jīng)成為工業(yè)鍍膜生產(chǎn)中最主要的技術(shù)之一。磁控濺射技術(shù)包括靶、電源和靶的工作模式等部分，靶是其中的關(guān)鍵，其余部分都圍繞它進(jìn)行。鍍膜批量生產(chǎn)特別關(guān)注的靶材利用率、沉積速率以及濺射過程穩(wěn)定性等方面的問題，其根本在于整個系統(tǒng)，特別是靶的優(yōu)化設(shè)計。靶設(shè)計要考慮靶面磁場分布、沉積速率以及靶材利用率，還要考慮導(dǎo)電、導(dǎo)熱、磁屏蔽、冷卻

7、、密封和絕緣等諸多因素。靶磁場分布在整個濺射過程中起著至關(guān)重要的作用，磁場強度及其分布直接影響磁控濺射靶的工作性能、靶材利用率及膜厚均勻度，因此磁場設(shè)計與計算是磁控濺射鍍膜機設(shè)計、制造、運行及工藝研究中的極其重要的問題。在我國，一般平面靶的靶材利用率為，這個比率是比較低的，在理論上還有非常大的提高空間。如果能夠從理論上解決靶材利用率的話，將其用于實際的生產(chǎn)中，將會具有很高的實際應(yīng)用價值。因此，研究磁控濺射靶的特性、磁控濺射靶材表面磁場的分布以及外加磁場對磁控濺射靶利用率的影響等相關(guān)問題，將具有重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價值。課題研究的背景與現(xiàn)狀傳統(tǒng)磁控濺射靶材下方的磁體固定，形成的非均勻磁場分布導(dǎo)致靶材

8、利用率低，為了克服平面磁控濺射靶利用率低的缺點，人們作了許多的嘗試。例如將靶材下方的磁體按照一定的規(guī)律運動，由磁鋼產(chǎn)生的磁場也將在靶面來回運動，使電子跑道擴展，可達(dá)到對靶材的均勻濺射，提高靶材的利用率，尤其在多成分復(fù)合靶材濺射時所得膜層的均勻性可得到改善，如圖。等在直流脈沖反應(yīng)濺射制取氧化鋁薄膜時使用這種方法，獲得了具有低內(nèi)應(yīng)力和高精確度化學(xué)成分比的氧化鋁薄膜。等用移動磁場的方法在硅基片上獲得成分均勻且晶面為（）的層，作為防止擴散合金化的阻擋層。但這樣做使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增加了，操作起來也比較困難。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論新技皋健靶毫：率一。黨材贛剛書一蜀！二二！盈嚴(yán)，！圖標(biāo)準(zhǔn)陰極法和移

9、動磁鐵法的比較通過改變磁場的內(nèi)外磁極與靶表面的距離（內(nèi)外磁極上下活動總路徑為左右，由此改變磁場強度實現(xiàn)對濺射率和沉積率的細(xì)微調(diào)節(jié)。而傳統(tǒng)的磁控濺射系統(tǒng)由于磁場相對固定，其濺射率和薄膜沉積率變化范圍不大，不能進(jìn)一步優(yōu)化薄膜制備過程。如在沉積初始階段，形成較高的離子流撞擊靶材，可提高薄膜和基底的結(jié)合力，而在薄膜沉積過程中較高的濺射率會在薄膜中造成應(yīng)力和缺陷。通過改變磁極位置，引起不同濺射階段的磁場強度變化，可較好地解決這個問題，并可以應(yīng)用于制備梯度薄膜和多層薄膜。該技術(shù)可以控制靶材的刻蝕情況，實現(xiàn)對靶材的均勻濺射，從而提高靶材利用率。等在用直流脈沖反應(yīng)磁控濺射法制備具有高折射率二氧化鈦光學(xué)薄膜時，

10、借助該技術(shù)優(yōu)化薄膜性能，較好地提高了其結(jié)合力、表面粗糙度和抗磨擦性能?；入x子體罩法蘭內(nèi)磁鐵外磁鐵靶圖雙環(huán)磁控濺射靶東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論等人提出了一種雙環(huán)靶（）結(jié)構(gòu)，如圖所示。該結(jié)構(gòu)是在靶內(nèi)采用兩組磁鐵，每個磁鐵的內(nèi)側(cè)和外側(cè)磁極極性不相同，這樣每組磁鐵在靶表面都會形成個刻蝕環(huán)，最后靶表面出現(xiàn)了兩個刻蝕環(huán)，不僅能提高靶材的利用率，而且能提高沉積薄膜矗的膜厚均勻性。等在靶面等離子轟擊較弱的靶材位置添加永磁體，為防止磁體。濺射污染薄膜，在添加的磁體表面覆蓋靶材成分薄片，可解決鐵磁性靶材在磁控濺射時發(fā)生的磁屏蔽現(xiàn)象。該方法用較少的磁體實現(xiàn)較厚鐵磁性靶材的磁控濺射，無需昂貴的高性能鐵磁體或電磁

11、線圈，但也有較多缺點，如靶材和磁體的安裝復(fù)雜，且濺射時靶面的高溫容易使永磁體失效。等】在靶材和基片的中間周圍施加永磁體，來調(diào)節(jié)靶材表面的磁場分布，通過對其進(jìn)行位置控制，使靶材表面的水平磁場分布更加均勻，可大大提高靶材的濺射率和利用率，并且有望解決鐵磁性靶材濺射難題。公司的“分流設(shè)計”（），如圖所示，通過在靶和磁極之間一定位置處放置一定形狀的高導(dǎo)磁率薄片，使得靶面附近的磁場分布更加均勻，提高了靶材利用率，延長了靶的壽命，并使濺射過程更加穩(wěn)定。但這種設(shè)計會降低靶面處的水平磁場強度，濺射速率也會有所下降；同時，導(dǎo)磁片結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝位置的確定也有一定的難度。（）未采用“分流設(shè)計”（）采用“分流設(shè)計”（

12、）（）圖未分流和分流兩種設(shè)計的比較公司還提出了一種“表面增強剝蝕”（）技術(shù)，如圖所示，通過事先在靶面上刻蝕一定形狀的溝槽來提高靶材濺射的均勻性，同時整個濺射過程也變得更加穩(wěn)定。另外，研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)先在靶面上刻蝕一定形狀的溝槽可以有效降低放電電壓和工作壓力并使得整個濺射過程中的特性變得十分穩(wěn)定。不足之處是提高了成本，東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論并且不同設(shè)備之間靶材的通用性不好。詹。一濺射前的靶面濺射后的靶面（）沒有采用該技術(shù)（）采用了該技術(shù)圖表面增強剝蝕技術(shù)（）（）為了消除磁控濺射的缺點，人們改進(jìn)已有的甚至構(gòu)造全新的濺射裝置。年，等人【首先引入了“非平衡磁控濺射”（，）的概念，并給出了非平衡磁控濺

13、射平面靶的原理性設(shè)計。它與傳統(tǒng)的磁控濺射設(shè)備結(jié)構(gòu)一樣，所謂的“非平衡磁控”是指通過磁控濺射陰極的內(nèi)、外兩個磁極端面的磁通量不相等，見圖（）、（）、（）。“非平衡磁控”中陰極“冗余”磁力線會將一些原本局限在靶前等離子體區(qū)域的二次電子拉向基片附近，在基片附近區(qū)域產(chǎn)生電離區(qū)域，基片上的薄膜往往會受到離子轟擊，薄膜的一些特性會因此發(fā)生顯著改變。圖（）平衡、（）非平衡和（）夕加電磁線圈的磁控裝置示意圖，的“”技術(shù)】，通過優(yōu)化設(shè)計能將靶材利用率提高。其中“環(huán)狀增強鋁合金靶”（）是一種圓形靶，它是通過研究普通靶的刻蝕形貌而設(shè)計出來的。實驗證明該靶與普通靶相比在濺射速率、膜層均勻性和靶材利用率等方面都具有相當(dāng)

14、的優(yōu)勢。在圖提出了一種新的擴散結(jié)（）鈦靶結(jié)構(gòu)，很容易看到，在靶面刻蝕方面它與普通鈦靶有著明顯不同，靶材利用率提高了。濺射溝槽藏射陶榴锫上圖是普通鈦靶，下圖是擴散結(jié)合鈦靶，圖普通的鈦靶和擴散結(jié)合鈦靶的剝蝕形貌比較提出了一種“具有全靶剝蝕的矩形磁控靶（）結(jié)構(gòu)【引，如圖所示，它能有效延長靶的壽命，提高靶材利用率。這種結(jié)構(gòu)有兩種工作模式：靜態(tài)模式（）和掃描模式（）；磁極的方向有兩種排列方式：完全相同和交替排列。隔離鐵就黼承圖具有全靶剝蝕的矩形磁控濺射靶結(jié)構(gòu)示意圖清華大學(xué)材料系的范毓殿在國內(nèi)較早從事磁控濺射靶的研究，早在年代初設(shè)計出矩形及圓形磁控濺射靶，并獲得了國家發(fā)明專利”。北京儀器廠的王怡德提出了一

15、種背環(huán)式磁控濺射靶【，如圖所示，采用共用永磁體、外露軟磁極靴的磁場布局，提高了濺射效率；同時采用帶翼的凹形靶材，靶材利用率高；采用間接水冷的方式，又避免了國外多采取釬焊工藝給靶制造所帶來的困難。水磁鐵圖背環(huán)式磁控濺射靶結(jié)構(gòu)的斷面示意圖目前已經(jīng)出現(xiàn)了很多種靶的設(shè)計結(jié)構(gòu)，包括現(xiàn)在普遍采用的中頻雙靶磁控濺射，通過優(yōu)化設(shè)計能夠有效地提高濺射和沉積的速率，改善膜層質(zhì)量以及增加靶材利用率，延長靶的壽命。還有圓柱旋轉(zhuǎn)靶的結(jié)構(gòu)【引，如圖所示。旋轉(zhuǎn)靶每一時刻靶面濺射的位置不同，靶的冷卻比較充分，靶面能夠承受更大功率的濺射，同時它又具有靶材利用率高的特點，將它與中頻雙靶磁控濺射技術(shù)相結(jié)合能夠顯著提高生產(chǎn)效率同時降

16、低生產(chǎn)成本。圓柱旋轉(zhuǎn)雙面矩形磁控濺射靶解決了同軸圓柱形磁控靶由于環(huán)狀磁場所引起的膜層均勻性不好的問題，可以在靶兩側(cè)的大面積平面基片上沉積出均勻的膜層。這種靶具有較高的磁場強度，膜層的沉積速率高，濺射效率也高，同時通過旋轉(zhuǎn)機制提高了靶材的利用率。針對柔性基體鍍膜的特點，卷繞鍍膜應(yīng)運而生，從最初時局限于熱蒸發(fā)鍍，到后來的濺射卷繞鍍膜，現(xiàn)在多靶磁控濺射卷繞鍍多層膜的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟了。藤邋瓣：緲氣體離子靶材條形磁鐵磁座等離子體基片冷卻水管濺射原子圖圓柱旋轉(zhuǎn)雙面矩形磁控濺射靶橫斷面結(jié)構(gòu)及濺射刻蝕示意圖除了對靶內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造以外，科技工作者還通過改變?yōu)R射空間中的磁場分布來試圖提高利用率。等人是將靶

17、外側(cè)的接地屏蔽罩換成磁性材料，這樣屏蔽罩和靶內(nèi)的外磁鐵環(huán)又形成磁回路，在靠近靶的邊緣多了一個電子跑道，濺射時靶面也多了一個刻蝕環(huán)。和】采用兩個線圈來控制空間磁場。其中是通過控制外側(cè)線圈的電流來改變空間磁場，從而改變刻蝕環(huán)的位置。等人在濺射鐵磁靶時，為了擴大靶表面等離子體局限區(qū)域、延長靶的壽命，特地在靶表面放置一半徑為的鐵磁性材料。從他們的實驗看來，加了鐵磁性材料后，靶表面附近平行于靶面方向的磁場分量發(fā)生明顯的變化，電離碰撞發(fā)生區(qū)域增大，刻蝕區(qū)域也隨之增大。但是，從他們的計算結(jié)果來看，增加磁性材料以后，靶的利用率只是得到了輕微的提高【。華南理工大學(xué)的常天?！吭O(shè)計了一種無屏蔽罩的矩形平面磁控濺射靶

18、結(jié)構(gòu)，顯著增強了靶面磁場，為實現(xiàn)低電壓磁控濺射提供了思路。清華大學(xué)的劉翔宇【，通過磁場有限元模擬，系統(tǒng)分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對靶面磁場均勻性和強度的影響，提出優(yōu)化的設(shè)計結(jié)構(gòu)，最終給出兩種新的磁鋼排布結(jié)構(gòu)，如圖所示，并就其特性進(jìn)行分析；并結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)線設(shè)備，設(shè)計并加工出實際結(jié)構(gòu)，對其特性進(jìn)行實驗驗證，為增加靶面橫向刻蝕區(qū)域范圍，加裝導(dǎo)磁片并對其特性進(jìn)行測試，最后將其應(yīng)用到新設(shè)計的雙靶結(jié)構(gòu)當(dāng)東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論中。（）內(nèi)徑一致型（）外徑一致型圖新型磁鋼示意圖（）（）此外，人們發(fā)現(xiàn)將整個濺射空間放置在磁場中，濺射效果會大不相同。這主要是由于外加磁場改變了濺射空間原來的磁場。蘇州大學(xué)的趙新民繼續(xù)就外加磁

19、場對磁控濺射的影響進(jìn)行研究，并進(jìn)行了大膽的嘗試：完全去除靶內(nèi)磁場，單純依靠基片下磁鐵產(chǎn)生的磁場發(fā)揮磁控作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)靶表面的磁場比起普通平面磁控濺射而言要均勻的多，在靶面上不再看到刻蝕環(huán)，靶材利用率有了明顯的提高?！刻岢隽艘环N等離子體產(chǎn)生與濺射分開的結(jié)構(gòu)，原理圖如圖所示，它由三部分組成：等離子體的產(chǎn)生部分、等離子體到靶表面的輸運過程、等離子體對靶的濺射過程。石英管中通入氣后，在射頻電源和射頻線圈的作用下產(chǎn)生等離子體，發(fā)射電磁線圈（靠近石英管的直流線圈）和偏轉(zhuǎn)電磁線圈（靠近靶的直流線圈）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。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論拔濺竅

20、，圖設(shè)備的原理圖電子科技大學(xué)光電學(xué)院和沈陽市超高真空應(yīng)用技術(shù)研究所基于這種結(jié)構(gòu)構(gòu)造了一個實驗平臺對其進(jìn)行了研究，利用對發(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(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示由于磁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。采用不銹鋼為靶材進(jìn)行了有關(guān)濺射電壓和濺射電流關(guān)系的幾組實驗，通過數(shù)據(jù)顯示提出的結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。將靶表面全部涂滿石墨觀察濺射情況，實現(xiàn)了全靶腐蝕【。從國內(nèi)外學(xué)者的研究成果來看，盡管人們做了大量細(xì)致的研究工作，但是靶材利用率只是得到非常有限的提高。國外在靶分析和設(shè)計方面優(yōu)勢明顯，已經(jīng)實現(xiàn)專業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化。受加工技術(shù)等影響，目前國

21、內(nèi)各科研單位對磁場方式對薄膜影響的研究并不多，其多數(shù)方式之間的差別并不特別明顯；企業(yè)也都基本處于購買及仿制階段，因此在保證設(shè)備制備成本和獲得產(chǎn)品性能的前提條件下，磁場分布往往變動較少?？傮w來講，國內(nèi)在靶設(shè)計方面還相對落后，因此相關(guān)問題的研究將具有重要的學(xué)術(shù)和實踐價值。課題的研究內(nèi)容本課題的研究對象是國內(nèi)生產(chǎn)常用的矩形平面靶，主要研究矩形平面磁控濺射靶表面的磁場分布。以理論分析為基礎(chǔ)，通過有限元方法對磁場進(jìn)行模擬仿真，具體分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對靶面磁場均勻性和強度的影響；磁鋼形狀對靶面磁場平行度的影響；矩形靶端部磁鋼設(shè)計，研究理想的端部磁場分布情況；進(jìn)行矩形磁控濺射靶結(jié)構(gòu)的綜合設(shè)計，最終提出優(yōu)化的矩形靶

22、結(jié)構(gòu)和磁鋼排布結(jié)構(gòu)，為矩形磁控濺射靶的實際設(shè)計提供指導(dǎo)。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論論文研究思路及難點本課題將根據(jù)電磁場基本理論，利用有限元分析方法，計算矩形磁控濺射靶靶面磁場的空間分布；建立矩形磁控濺射靶的物理模型以及靶面磁場的數(shù)學(xué)模型；通過模擬矩形磁控濺射靶不同磁鋼參數(shù)下的磁場分布，得到優(yōu)化的磁鋼結(jié)構(gòu)和尺寸，最終設(shè)計出矩形磁控濺射靶的優(yōu)化結(jié)構(gòu)和磁鋼排布形式。論文進(jìn)行中遇到以下難點：缺少現(xiàn)成經(jīng)驗：國外公司靶設(shè)計屬核心機密，而國內(nèi)從事該方面系統(tǒng)研究的單位還很少，主要處于購買和仿制階段。大設(shè)備影響因素多，必須借助大量工藝實驗才能確定其狀態(tài)。實驗條件有限，無法通過大量實驗驗證設(shè)計結(jié)果。東北大學(xué)碩士

23、學(xué)位論文第章矩形磁控濺射靶磁場分析理論第章矩形磁控濺射靶磁場分析理論磁控濺射是現(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，其基本原理就是以磁場來改變電子的運動方向，并束縛和延長電子的運動軌跡，從而提高電子對工作氣體的電離幾率和有效的利用電子的能量，因此使正離子對靶材轟擊所引起的靶材濺射更有效【?？梢哉f磁控濺射是基于電磁場作用下的荷能粒子轟擊靶材時的濺射效應(yīng)，因此首先研究荷能粒子在電磁場中的運動。電子在磁控濺射電磁場中的三維運動等離子體是由大量帶電粒子所組成的集合，在帶電粒子之間存在著庫侖相互作用力，同時，它們還受到外力場的作用。帶電粒子的運動會改變電磁場的性質(zhì)，而電

24、磁場的改變反過來又要影響粒子的運動。所以等離子體在電磁場中的運動是一個十分復(fù)雜的問題。帶電粒子在非均勻電磁場中的運動在其他論文和文獻(xiàn)中討論的都是帶電粒子在均勻電磁場中的運動，但在實際的磁控濺射裝置里，和既不是處處均勻的（都是空間函數(shù)），也不是處處正交的。趙嘉學(xué)和童洪輝兩位學(xué)者根據(jù)實際工作經(jīng)驗，在磁控濺射原理的深入探討中對帶電粒子在非均勻電磁場的運動進(jìn)行了分析探討，闡述了電荷在非均勻磁場中運動除了受到我們共知的洛倫茲力外，還要受到一個由于磁場的空間分布不均勻性而引起的磁阻力（也有資料認(rèn)為是一種特殊的洛倫茲力）【。在如圖所示的直角坐標(biāo)系中，其牛頓運動方程為】，口一（，）（，）一（，）（）其中肛；等

25、為磁矩，在磁場中守恒（澇為與垂直的速度分量）。二方程右邊的前兩項為一般資料上都曾提及的電場力和洛倫茲力，第三項就是磁阻力，它與磁場的梯度成正比，但方向始終指向梯度的負(fù)向（即磁場減弱的方向），該力總是阻礙運動電荷從弱磁場向強磁場區(qū)域的運動，因此原則上磁場是無條件排斥運動電荷的。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章矩形磁控濺射靶磁場分析理論圖磁力線走廊及標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系示意圖制刀：！一圖鏡像磁場在方向（）和方向（）的梯度變化示意圖（）（）磁阻力與磁場的梯度成正比，為了研究電子的受力及運動，先來分析磁場梯度。圖（）給出了在方向的梯度曲線示意圖?？梢钥闯?，）與呈近似線性關(guān)系，而方向總是指向原點，該力與彈簧振子所受的胡克

26、力一非常類似，電荷在方向的運動是一種類簡諧振動，）總是使電荷向中心的弱磁場區(qū)運動，在處符合一定條件的電荷（平行于磁場的速度分量在，）的阻力作用下減小到零）就會被像鏡子一樣反射回來朝運動，越過中心點后，磁阻力又反向逐漸增強直至再次反射，電荷就如此來回往復(fù)振蕩，這就是鏡像場得名的由來。磁場除了在方向有梯度變化外，在方向也存在梯度變化，見圖（）。向磁阻力的特點是逐漸減小而方向始終指向的正向，它促使電荷逐漸豎向脫離磁約束。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章矩形磁控濺射靶磁場分析理論于是總結(jié)出電子在磁控濺射中磁場作用域內(nèi)三維方向的自由運動情況（即不考慮與其它粒子相互碰撞等作用）：方向（橫向：跑道斷面與靶水平的方向

27、，指向內(nèi)側(cè)的為正）：圍繞磁力線的在兩極間的變幅螺旋往復(fù)振蕩（在兩極附近回旋半徑最小，在走廊中心線處回旋半徑最大，其本身就是的三維運動）；），方向（豎向：垂直靶面的方向，離開靶面朝外的方向為正）：恒有一個離開靶面的速度分量；向（縱向：電漂移方向即方向為的正向）：沿磁力線走廊方向（即電漂移方向）宏觀前進(jìn)的并在），面的擺線運動（在豎向磁阻力作用下，該擺線逐步抬高而離開靶面）?？涛g跑道斷面形狀的解釋及臨界磁場上節(jié)闡述了電荷在鏡像場中的來回振蕩，在此只考察電子的振蕩情況。假設(shè)在±口處（即磁極處）是臨界磁約束點，即電子在此區(qū)域內(nèi)才被約束來回反射。但是能被約束的電子并不都是在工±口處才反

28、射，也即是說電子的橫向宏觀振蕩半徑并不都是，而是內(nèi)均可發(fā)生，因此在±口以內(nèi)各處電子的濃度并不相同，顯然處是所有受約束的電子運動的必經(jīng)之路，濃度最大；越往±處能到達(dá)的電子數(shù)目越少，其濃度也就越?。ǖ荒苷J(rèn)為該處的濃度為零），可以近似認(rèn)為符合高斯分布，如圖（）所示。每個電子的電離能力從宏觀統(tǒng)計上看可以認(rèn)為是基本相等的（甚至與是否處于磁約束域內(nèi)也無關(guān)，磁約束既不增加也不減少電子的能量），因此電離出的離子濃度的高低只與該域內(nèi)的電子濃度（或者說電子的生命周期）有關(guān)。在前面的討論中我們知道磁場對離子的影響可以忽略不計，可以認(rèn)為是沿電場方向徑直前進(jìn)的，因此，離子的濃度對應(yīng)的就是對靶材的濺

29、射程度。由此得出結(jié)論，在磁控濺射中，從跑道的斷面看，總是中心線處濺射最強、兩邊最弱，在臨界約束點以外即跑道以外的廣大其它區(qū)域沒有濺射（實際上是電子濃度低于臨界值而不能形成有效濺射）。二極濺射在標(biāo)準(zhǔn)磁控濺射工藝參數(shù)下不能放電的原因就是因為不能形成超過臨界值的電子濃度。隨著刻蝕的加深，靶面下降，更強的磁力線露出靶面（需要說明的是，磁力線本身的分布并不因濺射而有所改變），約束力增強，臨界約束半徑減?。醇s束區(qū)域變窄），于是濺射區(qū)域也隨之變窄。如此長期作用下去，刻蝕跑道的形狀就自然是寬度連續(xù)收縮，中心深度加劇的倒高斯分布，如圖（）所示。對于固定靶（磁場與靶材之間沒有相對運動）而言，這加劇了靶材的低利用

30、率（深度的變化率是逐步加快的）。圖跑道斷面的電子濃度分布（）及刻蝕斷面（）示意圖（）（）磁場在磁控濺射過程中的作用磁控濺射主要包括放電等離子體輸運、靶材刻蝕、薄膜沉積等過程，磁場對磁控濺射各個過程都會產(chǎn)生影響。在磁控濺射系統(tǒng)中加上正交磁場后，電子受到洛侖茲力的作用而作螺旋徑跡運動，必須經(jīng)過不斷的碰撞才能漸漸運動到陽極，而且由于碰撞，電子到達(dá)陽極后其能量已經(jīng)很小，對基體的轟擊熱也就不大，這就是磁控濺射基體溫升低的主要機理。另一方面，如果只有電場，電子到達(dá)陽極經(jīng)過的路程將很短，與工作氣體的碰撞幾率只有。而加上磁場后電子在向陽極運動的過程中做螺旋運動，磁場束縛和延長了電子的運動軌跡，大大提高了電子與

31、工作氣體的碰撞幾率，進(jìn)而大大促進(jìn)了電離的發(fā)生，電離后再次產(chǎn)生的電子也加入到碰撞的過程中，能將碰撞的幾率提高好幾個數(shù)量級，有效地利用了電子的能量，因而在形成高密度等離子體的異常輝光放電中，等離子密度增加，濺射出靶材原子的速率也隨之增加，正離子對靶材轟擊所引起的靶材濺射更加有效。這就是磁控濺射沉積速率高的原因。此外，磁場的存在還可以使濺射系統(tǒng)在較低氣壓下運行，低的氣壓可以使離子在鞘層區(qū)域減少碰撞，以比較大的動能轟擊靶材，并且能夠降低濺射出的靶材原子和中性氣體的碰撞，防止靶材原子被散射到器壁或被反彈到靶表面，提高薄膜沉積的速率和質(zhì)量【。由此可見，磁場能夠有效約束電子的運動軌跡，進(jìn)而影響等離子體特性以

32、及離子刻蝕軌跡，因此，對于矩形平面磁控靶磁場大小及分布是極其重要的。傳統(tǒng)磁控濺射靶存在的問題磁控濺射具有諸多優(yōu)點的同時，也存在沉積速率低和靶材利用率低等缺點，如平面靶的靶材利用率一般只有、濺射效率也比較低，一般只有原子等。這些缺點，對于普通材料薄膜的制備，如等的濺射成本沒有太大影響，但是對于某些材料如金、銀、鉑等貴重金屬，以及一些高純度合金材料，如等，以及一些功能膜如膜、電磁膜、超導(dǎo)膜、電子膜、電介質(zhì)膜等膜層需要的靶材都及其昂貴，因此，如何克服磁控濺射靶靶材利用率低、薄膜沉積不均勻等缺點就顯得相當(dāng)重要引。膜層沉積速率低薄膜沉積速率主要受靶的刻蝕情況影響，靶的刻蝕與等離子體的濃度成正比關(guān)系，而等

33、離子體濃度則與空間中的磁場分布有著密切關(guān)系。磁場的作用在于控制并延長電子的運動軌跡，以此增大與工作氣體碰撞幾率，使等離子密度增加，濺射出靶材原子的速率也隨之增加。改變磁場的施加方式，開發(fā)出不同結(jié)構(gòu)和磁場強度的陰極磁控管，以獲得更好的薄膜質(zhì)量和更高的膜層沉積速率，是目前探索磁控濺射新工藝的主要途徑【引。膜層沉積不均勻薄膜厚度均勻性是衡量薄膜質(zhì)量和鍍膜裝置性能的一項重要指標(biāo)。任何一種有實際應(yīng)用價值的薄膜，都對膜厚分布有特定的要求。除了少數(shù)特殊場合外，絕大多數(shù)情況下，都要求鍍膜面內(nèi)膜厚盡可能均勻一致，即要求有盡可能好的膜厚均勻性。提高膜厚均勻性有多種方法，比如將蒸發(fā)源放置在合適的位置，采用旋轉(zhuǎn)基片，

34、增加遮擋機構(gòu)等等，。對于磁控濺射鍍膜，理想的磁場應(yīng)該是在整個靶面范圍內(nèi)均勻分布，盡量增強靶面范圍內(nèi)各處磁場的水平分量，提高其均勻性。但在實際的經(jīng)典結(jié)構(gòu)中，由于陰極靶面電磁場的非均勻分布，造成等離子體密度的分布不均，最終導(dǎo)致靶面上不同位置的濺射速率不同，刻蝕速率不同，膜層沉積的均勻性也不好因此，磁控濺射的膜厚均勻性，除了上述】幾種方法之外，還可以通過改進(jìn)磁路布置，優(yōu)化等離子體分布等措施來提高。靶材刻蝕不均勻矩形磁控濺射靶靶材刻蝕不均勻性體現(xiàn)在兩個方面，一方面是靶寬度方向上刻蝕不均勻，刻蝕形狀為倒正態(tài)分布曲線（如圖），刻蝕形貌很窄很尖；另一方面，靶端部對角線位置上容易出現(xiàn)反?？涛g現(xiàn)象，彎道處刻蝕非

35、常嚴(yán)重。下面分別進(jìn)行討論。寬度方向靶材刻蝕不均勻目前，在國內(nèi)外大型薄膜生產(chǎn)設(shè)備中，大都采用結(jié)構(gòu)如圖所示的傳統(tǒng)平面磁控濺射裝置。靶材后面永久磁鐵交替排列，磁力線從后面穿透靶材，在靶面上形成弧線，最后又穿過靶材。這種結(jié)構(gòu)雖然能有效地束縛等離子體，但由于不均勻磁場的存在，使等離子體約束于靶面的局部區(qū)域，產(chǎn)生局部收縮效應(yīng)，形成靶材的區(qū)域性濺射，即產(chǎn)生等離子體磁聚現(xiàn)象（）。用圖可以簡單明了地說明等離子體磁聚現(xiàn)象，圖中為比較典型的一種磁力線。磁體和分別為內(nèi)、外磁體，磁力線由到。點為磁力線中軸線上的一點，、兩點分別為中軸線兩邊的磁力線上的任意兩點。濺射時電場和磁場共同存在，和兩點的電子由于受到電場力和洛侖茲

36、力的作用將沿磁力線向中間的點所在的區(qū)域作螺旋運動，而點處的電子不受橫向力的作用。因此，在磁控濺射進(jìn)行時，點區(qū)域?qū)⒊蔀榈入x子體匯聚的區(qū)域，因此此處的等離子體最多，相應(yīng)的靶材位置的濺射最強烈，濺射率也最大。此位置處的靶材將會最先被刻蝕穿，刻蝕穿后的靶材將無法再進(jìn)行磁控濺射。圖平面磁控濺射器的截面圖東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章矩形磁控濺射靶磁場分析理論；蘸體圖等離子體磁聚現(xiàn)象典型的靶面刻蝕形狀如圖和圖所示，上面較寬，下面寬度連續(xù)收縮，到最后成一條深而細(xì)的溝槽。顯然，平面靶表面初始“跑道的寬度在靶面總寬度中所占的比例（即表面利用率）并不代表其真實的靶材利用率，因為隨著刻蝕深度的增加，刻蝕寬度是逐漸收縮的，

37、極限利用率與初始刻蝕率相比減少很多。若磁場布局不合理，刻蝕跑道窄且收縮快，利用率還會顯著降低。圖某矩形平面靶（長×寬×厚××）的表面刻蝕形貌（末期）（）（）圖圖所示間冷矩形平面靶的斷面形貌指出：靶的刻蝕及其深度與等離子體的濃度成正比關(guān)系；】指出：等離子體濃度則與空間中的磁場分布有著密切相連的關(guān)系。由此可見，靶的刻蝕主要受靶表面的等離子體的影響，等離子體由磁體產(chǎn)生的磁場分布決定，提高靶材利用率的關(guān)鍵是調(diào)整磁場結(jié)構(gòu)，顯然增加磁場均勻性能夠增加靶面刻蝕的均勻性，從而延長靶的壽命、提高靶材的利用率，東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章矩形磁控濺射靶磁場分析理論而且合理的電磁

38、場分布還能夠有效地提高濺射過程的穩(wěn)定性。我們可以根據(jù)靶面磁力線分布來分析靶表面的刻蝕情況，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。端部靶材刻蝕不均勻?qū)τ诰匦纹矫娲趴貫R射靶，在運行過程中，發(fā)現(xiàn)在靶的端部對角線位置上容易出現(xiàn)反?？涛g現(xiàn)象，又稱為對角線效應(yīng)，如圖所示。文獻(xiàn)【】采用的磁場強度較大，因而發(fā)生了明顯的反?？涛g現(xiàn)象。由于其發(fā)生機理比較復(fù)雜，當(dāng)前還不能夠從理論上進(jìn)行完善的解釋，因此，”和采用計算機仿真的方式來對這種現(xiàn)象進(jìn)行分析。圖關(guān)于矩形靶端部刻蝕形貌的照片由公式，。，了；竺可知，電子在正交電場和磁場下的漂移速度。與電場強度成正比，與磁場強度成反比。，和】分別采用跟蹤電子軌跡的方法和方法對矩形平面磁控濺射裝置的磁控等離子體進(jìn)行了三維仿真。通過仿真發(fā)現(xiàn)了矩形磁控靶的反常刻蝕現(xiàn)象，認(rèn)為刻蝕速率與（）屹成正比，其中咒為電子密度，仃