磁控濺射靶磁場(chǎng)結構優(yōu)化后實(shí)際刻蝕效果與實(shí)驗
圖8 所示為使用改進(jìn)的磁場(chǎng)結構形成的靶材的刻蝕輪廓。
在工業(yè)生產(chǎn)設備中濺射靶采用上述的磁場(chǎng)排布形式,能夠克服在通常磁鋼排列中出現的一些問(wèn)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(jià)格比較昂貴,利用率不高,勢必造成生產(chǎn)成本增加。由于通常磁鋼排列形式的靶面非均勻濺射,隨著(zhù)濺射的不斷進(jìn)行,靶面的刻蝕范圍越來(lái)越窄,在濺射功率恒定的情況下,靶材的刻蝕深度會(huì )加速進(jìn)行,靶材的使用壽命大為縮短,在整個(gè)生產(chǎn)周期中,增大了換靶頻率,導致生產(chǎn)效率下降,從生產(chǎn)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(lái)源。在鍍介質(zhì)膜時(shí),反應氣體在靶面非濺射區域容易形成不導電的介質(zhì)膜,在介質(zhì)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(yōu)化磁場(chǎng)結構設計制造的磁控濺射源能夠有效的解決上述問(wèn)題,無(wú)論在金屬模式下,還是在反應模式下鍍膜,對生產(chǎn)效率的提高,都有很大的促進(jìn)作用。
磁控濺射靶磁場(chǎng)結構優(yōu)化后實(shí)際刻蝕效果實(shí)驗及分析
實(shí)驗的主要內容是比較通常磁場(chǎng)結構和優(yōu)化的磁場(chǎng)結構濺射源沉積成膜的均勻性。為了對比說(shuō)明,兩種結構的濺射靶保持在相同的工藝條件,實(shí)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(lái)調節和控制。實(shí)驗中兩種磁場(chǎng)結構靶面尺寸都為1200mm×120mm,靶功率為15kW。在實(shí)驗中采用晶振儀動(dòng)態(tài)測量膜的厚度。晶振片距離靶面距離為100 mm,在沉積成膜時(shí),晶振儀探頭從靶面的一端移動(dòng)到另一端。測量結果經(jīng)過(guò)單位換算如圖9所示�？梢�(jiàn)改進(jìn)的磁場(chǎng)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(chǎng)結構鍍制膜的均勻性偏差大致有20%,而改進(jìn)的磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)結構的濺射源的伏安特性曲線(xiàn)進(jìn)行了測量。
磁控濺射的伏安特性曲線(xiàn)符合以下經(jīng)驗公式:
式中I是靶電流,U為靶電壓,其中n稱(chēng)為等離子體電子束縛效應系數。n值反映的是跑道磁場(chǎng)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(chǎng)對電子的束縛越嚴密,通常無(wú)磁場(chǎng)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(shí)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(xiàn)。
圖10 為孿生靶在不同氣壓下的伏安特性曲線(xiàn)。
對式(2) 兩邊取對數
可以得到ln(I)和ln(U)的線(xiàn)性關(guān)系,n為直線(xiàn)的斜率。通過(guò)最小二乘法,求出數據的一次擬合曲線(xiàn),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(chǎng)結構的濺射源n值。從表1的結果可以看出,優(yōu)化的磁場(chǎng)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(xiàn)
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(chǎn)額一直以來(lái)都是磁控濺射源設計需要考慮的重要問(wèn)題,不僅對磁控濺射系統的穩定工作,對基材成膜質(zhì)量,尤其是膜的均勻性有很大的影響,本文中的磁場(chǎng)設計,提高了磁力線(xiàn)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(chǎng)結構相比有很大的提高。
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