磁控濺射中電磁場(chǎng)分布二維模擬
本文采用計算機FORTRAN 語(yǔ)言自主編程，通過(guò)建立通電線(xiàn)圈磁場(chǎng)的數學(xué)模型，對磁控濺射靶附近由通電線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布進(jìn)行了二維數值模擬計算。計算表明當內、外線(xiàn)圈加反向電流，增加內或外線(xiàn)圈電流，可使通電線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)非平衡度增加，其增加強度由電流增加強度所決定。隨著(zhù)內或外線(xiàn)圈電流增加，真空腔內磁場(chǎng)強度分布更均勻。通過(guò)調節內、外電線(xiàn)圈電流，控制磁場(chǎng)分布，從而控制其對等離子體密度及能量分布，可使等離子體因磁場(chǎng)的均勻分布而在真空腔內分布均勻化。另外，這種外加的電磁場(chǎng)還會(huì )使磁控裝置本體磁場(chǎng)增強，因此對磁控濺射產(chǎn)生的等離子體有增強作用。此結果為磁控濺射裝置上磁場(chǎng)配置提供重要參考依據。
磁控濺射技術(shù)作為有效薄膜沉積的一種方法，已成為現在工業(yè)鍍膜過(guò)程中主要的生產(chǎn)技術(shù)之一，普遍地應用到微電子、光學(xué)薄膜和材料表面處理等領(lǐng)域。磁控濺射系統的關(guān)鍵核心技術(shù)是磁控濺射靶的設計，如磁控靶磁場(chǎng)所配置、柱形磁控靶及可移動(dòng)矩形磁控靶等。國外在磁控濺射技術(shù)分析和設計方面優(yōu)勢明顯，已經(jīng)實(shí)現了專(zhuān)業(yè)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，許多國內的磁控濺射設備制造商磁場(chǎng)設計較隨機。
基于此，國內許多研究者開(kāi)始在矩形平面靶、圓形靶及柱狀靶的磁場(chǎng)分布及優(yōu)化、外加線(xiàn)圈子改變磁場(chǎng)結構及磁控靶表面刻蝕進(jìn)行了數值模擬計算。趙卓等對封閉非平衡磁場(chǎng)的計算表明，外場(chǎng)增強的磁場(chǎng)可與底靶對面的磁場(chǎng)形成一定程度的封閉，從而使磁場(chǎng)有一定程度的空間均勻分布。平面磁控靶中，改變磁子及極靴尺寸和形狀、加導磁片等，可控制磁場(chǎng)的徑向分布，增加水平磁感強度，從而使靶表面的刻蝕跑道變寬。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為增大旋轉柱靶的磁子尺寸及磁子間夾角、加孿生柱靶等手段，可提高柱靶表面切線(xiàn)方向磁感強度，增大靶材表面的被濺射面積。
值得指出的是，中科院沈陽(yáng)金屬所對磁控濺射及陰極弧離子鍍膜中，在磁場(chǎng)附近外加磁場(chǎng)的模擬計算及實(shí)驗表明，外加磁場(chǎng)可影響磁場(chǎng)的非平衡度，從而改變等離子體輝光放電的特征及等離子體分布。另外數值模擬計算還表明，控制磁場(chǎng)分布是改善靶表面刻蝕狀況的最佳途徑。因此，利用模擬計算的結果對磁控裝置設計能給予一定指導。
在磁控靶的設計中，受永磁材料的限制，永磁場(chǎng)強度的增加是有限的。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為利用通電線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，以增強磁控裝置的磁場(chǎng)強度及改變磁場(chǎng)分布將使磁控濺射磁場(chǎng)分布可調，場(chǎng)強可調，將使靶的濺射速率可控、等離子體粒子密度及能量的增強。
1、研究對象及物理模型建立
磁控濺射系統的真空室為圓柱形腔體。靶材放置在附近纏繞矩形圓線(xiàn)圈的下極板位置，并接通電源，成為濺射的負電位電極。上極板可接通電源、接地或懸浮，使上極板電位相對于下極板要高。系統內部充入氬氣后，調節兩極間電壓和系統內部氣壓，在兩極板間產(chǎn)生氣體放電，形成等離子體。利用通電線(xiàn)圈在系統內部產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)，將部分等離子體束縛在基底附近，另一部分較均勻分布在上、下電極間的真空腔內部。假定濺射系統腔體電離區半徑為0.28 m，系統高度為0.5 m。當采用柱坐標系對系統沿中心軸剖面的物理性質(zhì)進(jìn)行模擬時(shí)，假定線(xiàn)圈環(huán)繞在濺射裝置的外圍，并且矩形線(xiàn)圈的截面尺寸為5 cm ×5c m，線(xiàn)圈和極板的距離為1 cm。根據磁場(chǎng)的邊界條件，可選取濺射系統腔體電離區半徑2 倍、系統高度3 倍的區域模擬磁場(chǎng)。具體系統結構如圖1 所示。
圖1 磁控濺射系統中線(xiàn)圈的位置圖
2、結論
本文基于漂移- 擴散理論，建立了磁控濺射裝置中磁場(chǎng)的數學(xué)模型。利用麥克斯韋方程組的求解得到了裝置內部的磁場(chǎng)分布數據。結果表明，磁場(chǎng)強度的分布主要受導電線(xiàn)圈通電電流的不平衡度影響。通電線(xiàn)圈對磁場(chǎng)的貢獻主要集中在線(xiàn)圈內部區域，隨著(zhù)電流的增大，磁場(chǎng)強度也隨之增大。增大外線(xiàn)圈電流，即增強N 磁極強度，可使磁場(chǎng)空間分布更均勻，場(chǎng)強更強。
