矩形磁控濺射靶電磁場分析及優(yōu)化

佘鵬程，陳立寧，程文進，龔 俊，陳長平

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111)

矩形磁控濺射靶電磁場分析及優(yōu)化

佘鵬程，陳立寧，程文進，龔 俊，陳長平

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111)

對矩形濺射靶電磁場進行了仿真分析，優(yōu)化設計，從而優(yōu)化濺射靶表面電磁場分布，增大均勻沉膜區(qū)域范圍，提高靶材利用率。

磁控濺射；濺射靶；電磁場；靶材利用率

磁控濺射鍍膜設備利用濺射方法，實現(xiàn)快速和低溫薄膜生長，與熱蒸發(fā)和電弧鍍相比，磁控濺射沉積薄膜過程穩(wěn)定、控制方便、靶材設計性強，易獲得大面積均勻薄膜；同時，磁控濺射成膜的離子能量高于熱蒸發(fā)、低于電弧鍍，易獲得附著力強、致密度高、內(nèi)應力小的薄膜。

隨著科技的進步，磁控濺射設備技術愈加成熟，其成本逐漸被民用市場接受，磁控濺射技術不再局限于軍工、航空航天等領域關鍵元器件的制備應用，目前已廣泛應用到光學薄膜、薄膜太陽能電池、半導體等領域。

對濺射鍍膜設備，其中濺射靶的設計最為關鍵。磁控濺射鍍膜中靶的特性直接與濺射穩(wěn)定性和膜層特性相關，靶材利用率直接與鍍膜成本相關，因此如何提高鍍膜產(chǎn)品的性價比，增大有效沉膜區(qū)域面積，提高靶材利用率時用戶最為關注的問題。

1 建立矩形濺射靶模型

磁控濺射鍍膜是在基片和陰極濺射靶之間附加正交電磁場，通入工藝氣體在靶材表面進行輝光放電，形成等離子體區(qū)。在正交電磁場的作用下，電子以擺線的方式沿靶表面前進，電子的運動被限制在一定空間內(nèi)，增加了電子與工作氣體分子的碰撞幾率，提高電子的電離效率。電子經(jīng)多次碰撞后，喪失能量成為“最終電子”進入弱電場區(qū)，到達陽極時已是低能電子，不會使基片過熱。氬離子則受電場的作用，轟擊靶材表面，靶材表面原子濺射沉積在基片表面形成薄膜。

濺射靶設計要考慮靶面的磁場分布、濺射速率、沉膜均勻性以及靶材的利用率，還要考慮導電、導熱、磁屏蔽、冷卻、密封和絕緣等諸多因素。其中電磁場的分布以及由以上諸因素決定的等離子體的特性最為重要，需要重點考慮。

理想的磁場應該是在整個靶面范圍內(nèi)均勻分布，盡量增強靶面范圍內(nèi)各處磁場的水平分量，提高其均勻性。但在實際的濺射靶結構中，不均勻分布的磁場產(chǎn)生密度不均勻分布的等離子體，因而靶面上不同位置的濺射速率不同，對靶材的刻蝕速度不同，同時膜層沉積的均勻性也不好。顯然增加磁場均勻性能夠增加靶面刻蝕的均勻性，從而延長靶的壽命，提高靶材的利用率；同時合理的電磁場分布還能夠有效地提高濺射過程的穩(wěn)定性。

矩形磁控靶的電磁場主要與陽極、靶材、磁體有關，其余部件對靶材上方的電磁場沒有影響，在電磁場計算模型中去掉，用以簡化模型，如圖1所示。

圖1 簡化矩形磁控靶的XZ方向剖視圖

2 矩形濺射靶表面電磁場分析

2.1 矩形濺射靶表面電場分析

磁控濺射靶的電場影響等離子體的能量和分布，筆者分析了陽極與靶材之間的距離、電勢差對靶材表面電勢分布的影響。

根據(jù)矩形磁控濺射靶模型結構，可知在靶材表面電勢分布如圖2所示。

圖2 矩形濺射靶表面電勢分布切片圖

陽極與靶材之間的距離L為1.5 mm和3 mm時，在靶材表面5 mm、10 mm、15 mm處電勢變化如圖3所示。

通過分析結果，可以看出單純從靜電場角度計算，陰陽極之間的距離改變對電場的影響不大，對刻蝕的均勻性影響不大。影響主要體現(xiàn)在靠近靶邊緣處，會改變該處等離子體的分布狀態(tài)，需要在直流放電模型中進行瞬態(tài)計算。

而改變陽極與靶材之間的電勢差，在濺射靶表面各距離處的電勢會隨著電勢差的增大而增大，但僅在數(shù)值上改變電勢的大小，對電場分布形狀基本沒有影響。

2.2 矩形濺射靶表面磁場分析

磁控濺射靶表面的水平磁場是影響等離子體分布的主要因素，它決定了濺射電流和刻蝕形貌，進而決定薄膜沉積的均勻性、靶材利用率。

在電場仿真計算模型的基礎上增加磁場模塊，增加內(nèi)磁體和外磁體，外磁體由四塊磁體拼裝而成。磁體距離靶材下表面3 mm，靶材厚6 mm，內(nèi)外磁體相對靶材對中分布。濺射靶表面水平磁場分布如圖4所示。

從上圖的計算結果可以看出，各平面的磁場都具有環(huán)形跑道形狀，這與矩形靶材的刻蝕形貌一致；隨著計算平面至靶表面距離的增大，磁場逐漸減弱；距靶表面越近，長度方面的水平磁場比寬度方向的越大；在z=25 mm時，長度方向與寬度方向的磁場大小基本接近。

圖3 陽極與靶材間距變化對靶材表面電勢分布的影響

圖4 矩形磁控靶磁場分布圖

為了進一步研究矩形磁控濺射靶表面磁場的分布，我們將靶長除去兩端各一個靶寬的范圍定義為直跑道區(qū)，兩端其它位置歸于端部，如圖5所示，來分析磁場沿三個方向上的分布情況：直跑道區(qū)域沿x方向磁場分布、水平磁場沿y方向的均勻性、端部區(qū)域的磁場分布。

圖5 普通矩形磁控靶磁鐵排布結構

對于直跑道區(qū)域，距離端部較遠時，磁場只有x和z分量，y分量幾乎為零。當距離端部較近時，y分量值增大，而且隨y方向位置不同變化迅速，此時磁場的y分量對水平分量的影響已經(jīng)十分顯著。測量可知端部位置x分量磁場強度弱于直跑道區(qū)域，對靶材的濺射刻蝕效率低。

由于靶材端部的不均勻刻蝕造成了靶材端部位置區(qū)域沉膜不均勻，不能作為有效濺射區(qū)，同時還降低了靶材利用率。據(jù)文獻報道將矩形平面磁控濺射靶的磁體設計成跑道形結構，即將矩形靶外側磁鋼端部設計成圓弧形，如圖6所示。

圖6 跑道型磁體示意圖

跑道型磁體結構濺射靶表面磁場分布如圖7所示。

圖7 跑道型磁體濺射靶表面磁場分布

比較兩種結構靶表面磁場，跑道型結構靶的端部磁場減弱區(qū)面積明顯縮小，在滿足沉膜均勻性要求的情況下增大了有效均勻沉膜區(qū)域，提高了靶材利用率。

3 矩形磁控濺射靶設計驗證

通過優(yōu)化矩形磁控濺射靶表面電磁場，分析靶基距對沉膜均勻性的影響，獲得較佳的沉膜效果和靶材利用率，最終設計得矩形磁控濺射靶如圖8所示。

圖8 矩形濺射靶

設計矩形濺射靶靶材尺寸為 76 mm× 400 mm×6 mm，沉膜基片布置區(qū)域寬度為300 mm，對中分布，通過基片在靶材下方往復掃描實現(xiàn)均勻性沉膜。以工藝參數(shù)濺射功率1 500 W，掃描15次，濺射壓強0.5 Pa，三批次沉膜結果數(shù)據(jù)如圖9，均勻性均優(yōu)于3%。

圖9 沉膜均勻性曲線

圖10為濺射靶材刻蝕形貌照片，由圖中可以看出，靶材刻蝕區(qū)域大，刻蝕環(huán)平緩，靶材利用率預計40.8%左右。

圖10 濺射靶材刻蝕形貌

4 結論

磁控濺射靶面附近的電磁場分布對濺射靶材刻蝕起著重要作用，在濺射靶實際設計中，通過優(yōu)化仿真分析，可有效地改善濺射靶的電磁場分布，增大有效均勻沉膜區(qū)域，提高靶材利用率，在濺射鍍膜工藝生產(chǎn)中提高產(chǎn)能，節(jié)約成本。

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Electromagnetic Field Analysis and Optimization of Rectangular Magnetron Sputtering Target

SHE Pengcheng，CHEN Lining，CHEN Wenjin，GONG Jun，CHEN Changping

(The 48thResearch Institute of CETC，Changsha 410111，China)

This paper，the electromagnetic field of the rectangular sputtering target is simulated and optimized，so as to optimize the electromagnetic field distribution on the surface of the sputtering target，increase the range of the uniform deposited film，and improve the target utilization.

Magnetron sputtering；Sputtering target；Electromagnetic field；Target utilization

TN305.92

A

1004-4507(2017)04-0035-04

佘鵬程（1982-），男，高級工程師，主要從事電子整機裝備的研制工作。

2017-04-05