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国内外磁控溅射靶材的研究进展

时间:2017-07-10 19:57:14  来源:表面技术  作者:陈海峰,薛莹洁
摘要:磁控溅射以沉积速率高和溅射温度低的特点而被广泛应用于各种薄膜制造中,如单层或复合薄膜、磁性或超导薄膜以及有一定用途的功能性薄膜等,在科学领域以及工业生产中发挥着不可替代的作用。在介绍磁控溅射原理的基础上,阐述了靶材刻蚀机理,针对传统磁控溅射系统中靶材利用率低、刻蚀形貌不均匀等现状,从改善靶面磁场分布和模拟靶材刻蚀形貌两方面对国内外最新的研究进展进行总结与分析。研究表明,通过改变磁体的空间布置或增加导磁片能有效改善靶面磁场分布,采用适当的运动部件实现磁场和靶材的相对运动能有效扩展靶材的溅射面积,提高靶材利用率。在靶材刻蚀模拟中,通过改变溅射过程中的工艺条件(磁场强度、工作电压等)来研究靶面等离子特性,结果显示靶材刻蚀形貌会随着磁场强度的增加而变窄,靶材刻蚀速率会随工作电压的增大而增大等,这些研究成果对磁控溅射工艺参数的优化具有指导意义。最后,对靶材冷却系统的设计、靶材表面处理等对溅射过程的影响进行了简要展望。
关键词:磁控溅射;靶材刻蚀;结构优化;计算机模拟;等离子体特性;靶材冷却

    溅射镀膜是用荷能粒子轰击固体靶材,使靶材原子溅射出来并沉积到基体表面形成薄膜的镀膜技术[1]。1852年Grove在实验室发现了阴极溅射现象,被公认为是真空溅射镀膜的开始。从目前来看,磁控溅射技术的发展前景十分可观,靶材温升慢、沉积速率高两大显著特点被广泛应用于各种材料薄膜的制备,有关磁控溅射各个过程的物理机制研究也显得越来越重要[2]。靶材作为真空镀膜中的主要消耗部件,其特性直接关系到薄膜质量以及镀膜的成本,故如何改进靶材性能,提高靶材的利用率成为真空镀膜生产中亟需解决的难题[3]。本文在介绍磁控溅射原理的基础上,从结构设计与优化、靶材刻蚀特性仿真等方面对国内外磁控溅射靶材的最新研究进展进行归纳,同时提出未来磁控溅射技术的发展方向。

1 磁控溅射镀膜原理和特点

    如图1为磁控溅射镀膜的原理,其中基体与靶材平行相对,靶材接负电位,故基体相对于靶材处于正电位。在正负两极中引入磁场,电子受电场和磁场的共同影响,在洛伦兹力F=e(v×B)的作用下成摆线运动,靶材的刻蚀机理如图2所示,进而增加了电子和惰性气体碰撞的概率,导致氩原子的离化率大大提高,入射靶面的Ar+密度逐渐增加,提高了溅射速率。被溅射出来的中性原子由于不受电场和磁场的限制,飞向基板并在基板上形成薄膜。磁控溅射被应用到很多工业领域,尤其在大面积平板玻璃中的应用更为广泛。
    普通的磁控溅射靶在溅射过程中只有一条很窄的刻蚀环,且传统的磁控溅射系统的磁场结构固定,靶面磁场分布不均匀,溅射速率以及薄膜沉积速率的提高空间受到限制,不一致的磁场会导致靶材的异常刻蚀及薄膜厚度分布不均,所以靶材利用率比较低。所以磁场设计的关键在于优化磁场分布和工艺条件(工作电压、溅射时间、靶材温度等)、扩展靶材溅射区域(电磁场正交区域加宽)、加强靶材的冷却效率等,从而提高靶材的利用率和溅射速率。

2 磁控溅射靶的结构设计与优化进展

    在工业镀膜过程中,磁控溅射靶材利用率的高低直接影响镀膜成本以及薄膜特性[4],针对靶材利用率低的问题,一些常用的改进平面靶结构的方法,如采用旋转磁场[5]增加溅射面积,或增加导磁垫片或附加永磁体来均匀磁场分布,如SOLERAS公司的“分流设计”,黄士勇等人发明的新型磁控溅射器等[6—7]。通过改变磁铁的相对位置或增加磁极的数量等来获得靶面理想的磁场分布,如应春等采用两块极性相对的环状磁铁[8],Musil提出的“具有全靶剥蚀的矩形磁控靶”结构,常天海提出的裸靶结构等[9—10]。还有学者提出移动式磁场靶结构,可以扩展放电区内的电子跑道,使靶材刻蚀面积增加,尤其对复合型靶材的薄膜均匀性有很大的改善。
    总的来说,平面磁控溅射靶的改良方案一般归纳为两种方法:一种是工业中常常采取的方法,即从结构上改善靶面水平磁场的分布,实用价值比较高;第二种是在研究领域中常常采取的方式,即通过一些动态的方法来改善靶面的水平磁场分布,如设置增加交流电磁线圈来控制磁场随时间变化,或采用机械装置使靶和永磁体成相对运动状态,或旋转靶材的制备等,这种方法效果明显,但同时也增加了制造成本,在工业中的实用价值有限。近年来,如何兼顾制造成本和靶材的利用率成为人们研究的热点,相继有很多学者提出新的靶材结构。
2.1靶材的静态结构设计
    靶材静态结构设计即通过改变磁体的空间布置或几何结构来获得理想的磁场分布,下面针对几种典型的结构进行说明。
    刘齐荣等在传统安装一块导磁片的平面靶结构基础上,提出一种采用加装两导磁片的结构,通过调节导磁片间距能有效避免“波谷”出现,结构如图3所示,间距为1.6和1.2mm时的磁场强度分布较理想,靶材利用率能达到60%左右[11—13]。导磁片一般采用纯铁、低碳钢等材料,可以降低永磁体磁场的不均匀性,通过引磁的作用在靶材表面形成较均匀的磁场分布。
    YasunoriOhtsu等[14]提出了一种不同永磁体排布结构,如图4—5所示。在射频磁控溅射系统中,通过调整永磁体的排布间距(分别为10、30、70mm)来分析靶材上方离子流分布和靶材的刻蚀深度。结果表明,Cu靶的利用率和刻蚀速率取决于磁间隙的大小,随着磁间距的减小,靶材利用率由31%逐步提高,当磁间隙为10mm时达到最大,为59%,因为随着磁间隙的减小,磁力线分布较密,电子的运动步长变短,从而使靶面刻蚀更均匀,但同时也会削弱靶面上方的水平磁场强度,靶的溅射速率会受到影响。
    在直流磁控溅射系统中,平面矩形靶直线部分刻蚀轮廓呈高斯分布,会降低靶材利用率。JangSickPark[15]设计了一款结构简单、成本低的阴极装置(如图6所示)。在传统的阴极结构的基础上,在磁铁之间增加三块磁铁,从而在靶材的顶部实现4个磁场弯角,因为等离子体密度最大的区域被划分为两部分,故得到均匀的等离子体分布,改善了极端的靶材刻蚀形貌,从实验与模拟的对比结果来看,靶材利用率提高到45%,薄膜均匀性也得以提高,如图7所示。
2.2靶材的动态结构设计
    对于尺寸比较大的阴极靶,一般通过改变磁体的空间布置来改善磁场分布,但对于小尺寸的靶材,改善磁场分布的方法就比较灵活,如果可以实现磁场依次周期性地分布在靶表面上,则可以实现靶材的大面积刻蚀。在20世纪80年代初期,磁控管逐步发展起来,典型的旋转靶结构如图8所示[17],阴极体和靶材可以绕固定轴作一定周期的旋转运动,从而实现靶材沿表面均匀刻蚀。随后,国内外许多学者[18—20]针对旋转磁控溅射靶提出了不同的改进措施并得出了很重要的结论。比如关奎之[18]提出了类似于矩形平面溅射靶的磁场和旋转式圆柱形的靶筒组成旋转式圆柱形磁控溅射靶,张以忱[19]提出了圆柱双面矩形磁控靶,靶的溅射刻蚀区可宽达40°角的范围,均是通过磁场和靶材的相对运动来增加靶材的刻蚀区域,但运动机构的存在必然导致靶材结构复杂化,能量耗散较多。
    针对旋转磁控溅射靶成本高、制造复杂的现状,近年来,陆续有学者提出了一些结构简单可靠度高的新型阴极靶结构。TakayukiIseki[21]所提出的旋转阴极靶如图9所示,其中磁靴由磁轭板、外磁铁和中心磁铁组成,其中靴板是一个和镍靶同直径的环形软铁圆盘,短环形的外磁铁安装在磁轭板的边缘,中心磁铁是由FeNdB材料制成的永磁体,被偏心安装在磁轭板上。磁轭绕着靶的中心线旋转,并带动中心磁铁绕着靶材的中心线偏心旋转,磁力线在中心磁铁和短外磁铁之间形成闭合回路,使靶面的磁力线分布扩宽,增加了溅射面积。实验结果表示,通过调整中心磁体和外磁体的位置,该阴极结构能有效提高靶材利用率和靶材的刻蚀宽度,其中靶材利用率能达到40%左右,而传统的靶材利用率只能达到12%。     随后,TakayukiIseki[22]对原有结构进行了改造,如图10所示。在磁轭和旋转轴之间安装楔形垫片来调节磁轭的倾斜角度,其中磁轭倾斜间隙较宽的一方靠近靶材表面。由于左边的轭隙大于右边的轭隙,所以靶材左边的磁流密度相对于靶材右边的磁流密度要弱。因此,该结构的特点在于可以通过调节磁轭的倾斜角度来控制靶材左右两边磁流密度的大小,而磁流密度的大小和靶材的刻蚀深度成正比。结果也表明,随着磁轭倾角的增加,磁流密度分布扩展且均匀性增强,刻蚀区域朝着靶材外方向变宽。

3磁控溅射靶材的刻蚀模拟研究进展

    靶的刻蚀形貌与靶面的水平磁场分布息息相关,因此为了控制和改良靶材的刻蚀形貌,需要对磁控镀膜溅射过程进行深入的探讨[23]。在磁控溅射过程中,工作气压、阴极电压等工艺条件都对靶材刻蚀轮廓以及刻蚀速率有重要影响。近年来,计算机模拟靶材刻蚀过程成为国内外学者们的研究热点,也为实验平台的设计提供一定的参考依据,采用计算机模拟不仅降低了研究成本,也可以直观地观察镀膜的相关物理过程[24—25]。
阴极溅射靶是真空镀膜机的心脏,靶材刻蚀特性包括靶材的刻蚀速率和刻蚀形貌,其中,靶材的刻蚀形貌可以直观反映靶材利用率[26]。实验表明:在合适的磁通密度大小范围内,靶材的刻蚀形貌对应着磁场的几何分布。
3.1 国外靶材刻蚀形貌研究现状
    国外有关靶材刻蚀的数值分析起源较早,在1988年,LanGu和A.E.Wendt等[28—29]就通过理论计算以及实验验证的方法对平面磁控放电的径向电流分布以及轴向光发射分布进行了初步探索研究,为后来的磁控放电等离子体数值分析奠定了基础。近年来,陆续有学者通过模拟等离子体特性来研究靶材的刻蚀情况[30—35],得到了很多有意义的成果。
3.2 国内靶材刻蚀模拟研究进展
    国内学者在对靶材的磁场模拟方面做了大量模拟了直流磁控溅射圆平面靶的荷电粒子及磁场的分布情况,比较靶面离子流密度分布曲线发现,靶材的刻蚀形貌会随着磁场强度的增强而变窄,而随阴极电压的变化较小。同时,沈向前等[26]利用OOPIC、SRIM等方法对放电空间磁场的分布情况,放电平衡时的带电粒子排布以及靶材表面刻蚀进行了深入分析,模拟结果表明,靶材的刻蚀深度与磁通密度成正比,刻蚀速率随工作电压的增加而增大,随工作气压的增加先增大后趋于平衡,与实际结果相符。另外,在目前比较前沿的高功率脉冲磁控溅射中,夏原,吴忠振等[41—44]结合磁控溅射等离子特性与动力学来优化和控制薄膜性能,高功率脉冲能增加惰性气体的离化程度和离子轰击靶材的强度,进而提高刻蚀速率和薄膜沉积速率,是目前提高磁控溅射效率的有效方法。
    总的来说,研究靶材的刻蚀形貌事实上就是控制溅射过程的工艺参数,通过研究工作电压、磁场强度等参数与靶材刻蚀形貌的影响,优化工作参数设置,避免靶材的异常刻蚀。此外,靶材刻蚀还与工作气压、工作气体、基片温度等其他因素有关,需根据具体的工作要求选择适合的工艺参数。从目前来看,国内磁控镀膜研究的主要力量还是集中在磁场的优化设计上,针对靶材冷却系统的研究还较少。

4 结语

    磁控溅射技术由于其显著的优点成为工业镀膜的主导力量,目前磁控溅射技术与计算机技术的结合已成为研究趋势,采用计算机模拟不仅降低了研究成本,也可以直观地观察镀膜的相关物理过程,对实际生产具有重要的指导意义。在未来的研究领域中,磁控溅射技术与表面工程技术、机械工程等技术的结合成为必然趋势,如何从结构改良和表面处理着手来提高靶材表面材料特性,增加换热效果,提高靶材利用率以及有效提高生产线换靶效率成为未来研究的方向。

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