一種全靶腐蝕磁控濺射設(shè)備

1、第44卷第6期Vol.44,No.6真空災(zāi)粵悅哉哉醞一種全靶腐蝕磁控濺射設(shè)備郝萬(wàn)順1,吳志明1,王濤1,王秋來(lái)2,黃文符2(1.電子科技大學(xué)光電學(xué)院,四川成都610054;2.沈陽(yáng)市超高真空應(yīng)用技術(shù)研究所,遼寧沈陽(yáng)110015摘要:傳統(tǒng)的磁控濺射設(shè)備由于等離子體在靶面形成跑道效應(yīng),所以存在著靶材利用率低,反應(yīng)濺射于這種結(jié)構(gòu)構(gòu)造了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行了研究,實(shí)現(xiàn)了全靶腐蝕,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞:磁控濺射;全靶腐蝕;磁場(chǎng)模擬中圖分類號(hào):TB43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1002-0322(200706-0018-04A novel magnetron sputtering device wit

2、h full target erosionHAO Wan-shun1,WU Zhi-ming1,WANG Tao1,WANG Qiu-lai2,HUANG Wen-fu2Key words:magnetron sputtering;full target erosion;magnetic field simulation磁控濺射技術(shù)有著很廣泛的用途,在這些應(yīng)用中,由于傳統(tǒng)的磁控濺射技術(shù)存在著一些固有的不足,最顯著的問(wèn)題是等離子體在靶面形成跑道,所以存在著靶材利用率低,反應(yīng)過(guò)程尤其是在進(jìn)行反應(yīng)濺射過(guò)程中很不穩(wěn)定1。要從根本上解決上述的問(wèn)題則必須使等離子體能夠在靶面形成靶面全腐蝕。通常有兩種方法達(dá)

3、到靶面全腐蝕的目的2:(a將靶設(shè)計(jì)成閉合等離子體跑道的形狀,如圓錐形等離子體磁控管3;(b掃描產(chǎn)生閉合磁控管放電的磁鐵,如全腐蝕矩形靶和圓柱形平面式磁控濺射靶4。1實(shí)驗(yàn)原理產(chǎn)生等離子的方法有多種,例如電感耦合等離子體,電容耦合等離子體,微波等離子體和螺旋波等離子體等等。設(shè)備中采用了電感耦合等離子體方式5。射頻線圈、射頻電源、石英管構(gòu)成產(chǎn)生離子源的裝置。石英管中通入Ar氣后,在射頻電源和射頻線圈的作用下產(chǎn)生等離子體。將靠近石英管的直流線圈定義為發(fā)射線圈,靠近靶的部分定義為偏轉(zhuǎn)線圈。由于發(fā)射線圈的存在,使之收稿日期:2007-01-02作者簡(jiǎn)介:郝萬(wàn)順(1982-,男,山西省太谷縣人,碩士。聯(lián)系人

4、:吳志明,教授、博導(dǎo)。第6期郝萬(wàn)順,等:一種全靶腐蝕磁控濺射設(shè)備與單一的電感耦合等離子體有一些不同,它提高了等離子體的電離率,在試驗(yàn)中可以看到等離子體在加發(fā)射線圈電流后明顯發(fā)亮。 石英管中產(chǎn)生的等離子體在直流偏壓的作用下到達(dá)靶表面進(jìn)行濺射。而發(fā)射電磁線圈和偏轉(zhuǎn)電磁線圈產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)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。流過(guò)線圈的電流決定了線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的大小,磁場(chǎng)的方向。所以由發(fā)射電磁線圈和偏轉(zhuǎn)電磁線圈在真空室內(nèi)形成的空間磁場(chǎng)的強(qiáng)度和分度就顯得很重要。由于兩個(gè)方向相反的磁場(chǎng)在空間中會(huì)相互抵消,所以兩個(gè)電磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向必須一致。 圖1設(shè)備的原理圖Fig.1Schem

5、atic of Thwaites s suggestion2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析2.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)平臺(tái)中,產(chǎn)生等離子體的具體部分由石英管,與石英管同心的射頻線圈,射頻電源和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)組成。射頻電源采用頻率為13.56MHz ,功率為500W 。石英管一端連入真空室,一端通氣體,射頻線圈以圓的銅管繞成,運(yùn)行時(shí)銅管通冷水,限制其發(fā)熱和穩(wěn)定表面電阻。濺射靶接直流偏壓電源的負(fù)極進(jìn)行濺射。 本文中利用ANSYS 對(duì)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(chǎng)分布和磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了模擬8。圖2和圖3分別為是兩個(gè)直流線圈磁場(chǎng)方向一致時(shí)在真空室產(chǎn)生的磁場(chǎng)的分布和沿路徑地磁場(chǎng)強(qiáng)度分布。圖中沒(méi)有箭頭

6、的那條線極為定義的路徑,用于觀察磁場(chǎng)強(qiáng)度在空間的分布。由圖2的磁場(chǎng)分布可以看出當(dāng)兩個(gè)直流線圈方向一致時(shí)能夠產(chǎn)生約束等離子體連續(xù)的磁場(chǎng)。沿路徑所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度最高為529Gauss ,最低為209Gauss ?？梢?jiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到了發(fā)射線圈為50Gauss ,偏轉(zhuǎn)線圈為500Gauss 的要求7。圖4和圖5分別為是兩個(gè)直流線圈磁場(chǎng)方向不一致時(shí)在真空室產(chǎn)生的磁場(chǎng)的分布和沿路徑地磁場(chǎng)強(qiáng)度分布。可以看到磁場(chǎng)分布是不連續(xù)的,沿路徑的磁場(chǎng)強(qiáng)度最高為482Gauss ,最低為91Gauss ,盡管磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足要求,但是由于磁場(chǎng)分布的不連續(xù),所以不會(huì)約束形成連續(xù)的等離子體。圖2兩個(gè)直流線圈磁場(chǎng)方向一致時(shí)真空室內(nèi)的

7、磁場(chǎng)分布仿真Fig.2Simulation of the magnetic field distribution in vacuum chamberthat two DC coils magnetic fields coinside in the same direction圖3兩個(gè)直流線圈磁場(chǎng)方向一致時(shí)真空室內(nèi)磁場(chǎng)沿路徑的強(qiáng)度分布Fig.3Intensity distribution of magnetic field along the route when twoDCcoils magnetic fields coincide in the same directio圖4兩個(gè)直流線圈磁場(chǎng)

8、方向不一致時(shí)真空室內(nèi)的磁場(chǎng)分布仿真Fig.4Simulation of magnetic field distribution that two DC coils mag-netic fields don t coinside in direction圖5兩個(gè)直流線圈磁場(chǎng)方向不一致時(shí)真空室內(nèi)磁場(chǎng)沿路徑的強(qiáng)度分布Fig.5Intensity distribution of magnetic field along the route when twoDC coils magnetic fields don t coincide in direction在上述裝置的基礎(chǔ)上再加上真空系統(tǒng)就構(gòu)成了試驗(yàn)

9、平臺(tái)。采用不銹鋼為靶材我們針對(duì)19··真空VACUUM 第44卷圖6與圖7為氣壓和離子源功率對(duì)濺射的影響圖中橫坐標(biāo)為直流濺射電源的電壓值,靶電壓就是所對(duì)應(yīng)數(shù)值的負(fù)值。縱坐標(biāo)為靶的濺射電流。由圖6可以看到,當(dāng)真空室中氣壓為1Pa 時(shí),直到靶電壓到達(dá)-500V 的時(shí)候,才會(huì)出現(xiàn)微弱的靶電流,直到靶電壓到達(dá)-1200V 時(shí),靶電流最大不超過(guò)10mA ;當(dāng)真空室中氣壓為10Pa 時(shí),靶電壓為-200V 的時(shí)候,出現(xiàn)微弱的靶電流,靶電壓到達(dá)-1000V 時(shí),靶電流為15mA ;當(dāng)真空室中氣壓為16Pa 時(shí),靶電流隨靶電壓的增加增加很快,在靶電壓為-800V 時(shí),靶電流達(dá)到了70mA

10、。 圖6當(dāng)氣壓一定的情況下,改變離子源的功率的情況Fig.6Power diagram when ion source is changed under constantpressure 圖7當(dāng)離子源的功率為一定時(shí)改變氣壓的情況Fig.7Pressure changes when the power of ion source is constant 由圖7可以看出,離子源功率對(duì)靶電流靶電壓曲線的影響,在離子源功率為155V 、2A,有用功率為30%時(shí),靶電流隨靶電壓增加增加很慢,當(dāng)靶電壓為-900V 時(shí),靶電流為18mA ;在離子源功率為192V ,2A,有用功率為50%時(shí),靶電流隨靶電壓增

11、加增加很快,當(dāng)靶電壓為-900V 時(shí),靶電流75mA ?？梢?jiàn)在其它條件相同的情況下,增加真空室氣壓,可以提高濺射電流;增加濺射電壓,濺射電流增加,但是沒(méi)有到達(dá)飽和;增加離子源的功率,濺射電流增加;但是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)濺射中濺射電流的飽和。可能存在的原因是因?yàn)樯漕l濺射電源的功Ar 等離子體的輝光顏色的性質(zhì):等離子體的顏色為粉紅色表明等離子體中存在的是沒(méi)有離化的高濃度的激發(fā)Ar 原子;當(dāng)?shù)入x子體是深藍(lán)色表明等離子體中Ar 離子體的濃度遠(yuǎn)高于沒(méi)有離化的激發(fā)的Ar 原子1。在實(shí)驗(yàn)中觀察到的輝光現(xiàn)象有:(1發(fā)射直流電磁線圈的磁場(chǎng)能提高等離子體的電離效率。當(dāng)射頻電源的功率不是很高時(shí),石英管內(nèi)產(chǎn)生的等離子體的輝光顏

12、色是淡藍(lán)色的,但是當(dāng)逐漸加大發(fā)射電磁線圈的電流時(shí)可以看到石英管內(nèi)的等離子體的顏色由淡藍(lán)色轉(zhuǎn)為粉紅色。這是因?yàn)殡姶喷R能夠增強(qiáng)氣體的離化程度從而提高等離子體離化度7。(2打開(kāi)射頻電源產(chǎn)生等離子體,調(diào)節(jié)直流電磁線圈的電流到合適的值,然后慢慢增加濺射電源電壓,當(dāng)濺射電源電壓增加到一定的值以后就會(huì)在真空室觀察到連通的等離子體;此時(shí)石英管管內(nèi)的等離子體是粉紅色的,真空室內(nèi)的等離子體是藍(lán)色的,真空室內(nèi)的等離子體中的Ar 離子體的濃度遠(yuǎn)高于沒(méi)有離化的激發(fā)的Ar 原子;當(dāng)同時(shí)改變直流電磁線圈電流的方向時(shí),等離子體仍然是連通的,但是當(dāng)兩個(gè)直流電磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向不一致時(shí),等離子體斷開(kāi),這個(gè)現(xiàn)象與前面的仿真結(jié)果一

13、致?？梢钥吹揭_(dá)到等離子體連通的目的,兩個(gè)直流電磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向必須是一致的,但是磁場(chǎng)的具體方向?qū)Φ入x子體沒(méi)有影響。下圖濺射時(shí)真空室中等離子體的圖片。圖8真空室內(nèi)的等離子體Fig.8Plasma in vacuum chamber圖8中出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題是連續(xù)的等離子體輝光有一些發(fā)散。主要的原因是因?yàn)槠D(zhuǎn)線圈半徑太大,產(chǎn)生的磁場(chǎng)布滿在真空室中,所以等離20··第6期郝萬(wàn)順,等:一種全靶腐蝕磁控濺射設(shè)備子體被約束的范圍相對(duì)于真空室太大,效果不明為了進(jìn)一步說(shuō)明靶的全刻蝕,將靶表面全部涂滿石墨,濺射完后的靶面如下圖?？梢?jiàn),實(shí)現(xiàn)了全靶腐蝕。由圖2中磁場(chǎng)模擬的結(jié)果也可以看到,由于磁

14、場(chǎng)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(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)了全靶腐蝕。 圖9涂滿石墨濺射后的靶面情況Fig.9Target surface with graphite spread over it after sputtering3結(jié)論子體受磁場(chǎng)約束的原理構(gòu)造了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了等離子體在真空室中連通,實(shí)現(xiàn)了全靶腐蝕,其中兩個(gè)直流線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)必須一致,但是具體的磁場(chǎng)方向?qū)Y(jié)果沒(méi)有影響。但是由于射頻濺射電源的功率太小,使得等離子體離化不夠,濺射電流沒(méi)有出現(xiàn)隨靶濺射電壓升高而飽和的現(xiàn)象,也導(dǎo)致了所需的濺射氣壓較高,因此提高射頻電源的功率是一種有效改善其性能的方法.參考文獻(xiàn):1Vop

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