文檔磁控濺射

磁控濺射楊洋（湖北大學(xué)物理學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院，武漢201210）摘要磁控濺射是為了在低氣壓下進(jìn)行高速濺射，必須有效地提高氣體的離化率。通過在靶陰極表面引入磁場(chǎng)，利用磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的約束來提高等離子體密度以增加濺射率的方法。在各種濺射鍍膜技術(shù)中，磁控濺射技術(shù)是最重要的技術(shù)之一，它在等離子體產(chǎn)生、維持以及效率方面與其他技術(shù)相比都有了很大的改進(jìn)，較易獲得高的沉積速率，致密性與結(jié)合力更好的薄膜，因此在機(jī)械、光學(xué)和電子行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。近些年來，關(guān)于磁控放電的理論得到廣泛的研究，主要包括磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的分析以及物理機(jī)制討論。在磁場(chǎng)放電區(qū)域，電子被限制在磁力線平行于陰極表面的位置，從而產(chǎn)生出高電離化的背景氣體。在這個(gè)區(qū)域產(chǎn)生的離子被加速運(yùn)動(dòng)的過程中，又會(huì)受到電子和離子的碰撞同時(shí)產(chǎn)生出二次電子來維持放電。在磁控濺射系統(tǒng)中，由于特殊的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，靶材表面的磁場(chǎng)分布以及離子分布是不均勻的，從而導(dǎo)致刻蝕的不均勻性，這對(duì)于靶的利用率是一個(gè)極大的限制，因此針對(duì)于靶面粒子分布以及刻蝕形貌的研究具有很重要的指導(dǎo)意義，而最有效的方法就是通過計(jì)算機(jī)建立模型仿真。關(guān)鍵詞：磁控濺射，電磁場(chǎng)，靶1、工作原理磁控濺射的工作原理是指電子在電場(chǎng)E的作用下，在飛向基片過程中與氬原子發(fā)生碰撞，使其電離產(chǎn)生出Ar正離子和新的電子；新電子飛向基片，Ar離子在電場(chǎng)作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜，而產(chǎn)生的二次電子會(huì)受到電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用，產(chǎn)生E（電場(chǎng)）×B（磁場(chǎng)）所指的方向漂移，簡(jiǎn)稱E×B漂移，其運(yùn)動(dòng)軌跡近似于一條擺線。若為環(huán)形磁場(chǎng)，則電子就以近似擺線形式在靶表面做圓周運(yùn)動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)路徑不僅很長(zhǎng)，而且被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，并且在該區(qū)域中電離出大量的Ar來轟擊靶材，從而實(shí)現(xiàn)了高的沉積速率。隨著碰撞次數(shù)的增加，二次電子的能量消耗殆盡，逐漸遠(yuǎn)離靶表面，并在電場(chǎng)E的作用下最終沉積在基片上。由于該電子的能量很低，傳遞給基片的能量很小，致使基片溫升較低。磁控濺射是入射粒子和靶的碰撞過程。入射粒子在靶中經(jīng)歷復(fù)雜的散射過程，和靶原子碰撞，把部分動(dòng)量傳給靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成級(jí)聯(lián)過程。在這種級(jí)聯(lián)過程中某些表面附近的靶原子獲得向外運(yùn)動(dòng)的足夠動(dòng)量，離開靶被濺射出來。2、計(jì)算方法首先使用有限元分析方法求解磁控濺射電磁場(chǎng)的分布，然后結(jié)合受力分析，仿真了單電子運(yùn)動(dòng)軌跡并較好地呈現(xiàn)螺旋形狀，同時(shí)模擬出多粒子束的靶面位置分布以及刻蝕形貌圖，最后把計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中靶面刻蝕形貌進(jìn)行對(duì)比，所求結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)吻合。2.1、電磁場(chǎng)分布的計(jì)算平面磁控濺射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中靶基距為30mm，陰極加-300V偏壓，陽(yáng)極接地，選取鋁為靶材，直徑為100mm，濺射氣體選擇氬氣。為模擬靶材上方X與Y方向的磁場(chǎng)分布以及Y方向的電場(chǎng)分布，利用有限元分析軟件ANSYS針對(duì)上述模型進(jìn)行求解。磁場(chǎng)與電場(chǎng)分別由公式（1）和（2）表示進(jìn)行ANSYS求解的時(shí)候，參數(shù)取值：相對(duì)磁導(dǎo)率μ=3，矯頑力Hcb=20000，磁扼的磁導(dǎo)率μ0=1000。計(jì)算的磁場(chǎng)分布結(jié)果如圖3所示。圖4和5分別表示Y和X軸的磁場(chǎng)分布。圖3ANSYS仿真的磁場(chǎng)分布圖圖4Y軸磁場(chǎng)分布圖5X軸磁場(chǎng)分布磁場(chǎng)在圓形靶表面上有兩個(gè)特殊分布的位置，如圖4和5所示，靶表面上半徑等于30mm的地方By達(dá)到最小值，Bx達(dá)到最大值。在這種電磁場(chǎng)條件下，帶點(diǎn)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡主要是兩種運(yùn)動(dòng)的合成，一個(gè)是粒子在垂直于磁場(chǎng)B的平面上做圓周運(yùn)動(dòng)；二是在電場(chǎng)E的方向做加速運(yùn)動(dòng)。合成的運(yùn)動(dòng)對(duì)電子產(chǎn)生的結(jié)果是在半徑大約20~30mm的圓環(huán)內(nèi)，單電子的運(yùn)動(dòng)軌跡為盤旋著向上運(yùn)動(dòng)的螺旋結(jié)構(gòu)。如圖6所示。<圖6單電子運(yùn)動(dòng)軌跡在求解域內(nèi)任取N個(gè)電子，經(jīng)過dt時(shí)間后的分布圖如圖8所示，從圖中可以看出，電子磁場(chǎng)強(qiáng)度大的區(qū)域分布最為密集，由于電場(chǎng)是豎直向下的，電子受到的電場(chǎng)力豎直向上，所以粒子呈現(xiàn)向上運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；同時(shí)，被高能離化的正離子也在靶面X=±30mm位置附近分布最多，而帶正電的離子受到的電場(chǎng)力向下，離子分布如圖7所示，表現(xiàn)為向下運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。(圖7)（圖8）圖7磁控濺射靶面離子分布圖圖8磁控濺射靶面電子分布圖為了方便統(tǒng)計(jì)靶面某個(gè)X位置上的電子個(gè)數(shù)分布，將圖8中的X坐標(biāo)進(jìn)行劃分，計(jì)算每個(gè)dX內(nèi)的點(diǎn)數(shù)，仿真得到的結(jié)果如圖9所示

圖9電子分布統(tǒng)計(jì)圖圖10靶面刻蝕形貌模擬圖圖11實(shí)驗(yàn)測(cè)量的刻蝕形貌通過模型計(jì)算出靶面刻蝕的形貌曲線，如圖10所示，從圖中可以看出靶材的刻蝕形貌在X坐標(biāo)上20~30mm以及-30~-20mm的位置呈現(xiàn)“U”形，刻蝕形貌關(guān)于Y軸對(duì)稱，這一結(jié)果與圖9中的粒子分布圖形成良好的對(duì)應(yīng)。我們把實(shí)驗(yàn)中使用了一段時(shí)間的鋁靶照片與其進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)中的靶面形貌如圖11所示。從圖中可以看出，在靶面半徑為20~30mm的位置，分布一個(gè)環(huán)形的刻蝕槽，這個(gè)位置恰恰是前面求得的粒子分布最密集的地方，同樣與模擬得到的靶面形貌圖結(jié)果保持一致，從而驗(yàn)證了理論模型的正確性。模擬出來的結(jié)果與實(shí)際存在一定的誤差，主要原因是沒有考慮等離子體的特殊性質(zhì)以及靶面的動(dòng)態(tài)刻蝕。4、結(jié)論電磁場(chǎng)分布及其對(duì)各種帶電粒子的約束情況對(duì)磁控濺射過程有著決定性的影響。本文利用有限元軟件ANSYS和數(shù)值分析軟件MATLAB仿真了磁控濺射中電磁場(chǎng)的分布，結(jié)合受力分析和運(yùn)動(dòng)理論得到了粒子在空間區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)以及它們?cè)诎忻娓浇奈恢梅植继攸c(diǎn)。計(jì)算結(jié)果表明單電子的運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)螺旋結(jié)構(gòu)，與理論分析一致，同時(shí)多粒子分布以及模