磁约束磁控溅射源的工作特性测试

文章编号:1673-9965(2010)01-017-04

磁约束磁控溅射源的工作特性测试*

弥谦,雷琳娜,袁建奇

(西安工业大学陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室,西安710032)

摘要:为了提高靶材利用率,将磁约束原理应用在磁控溅射技术中,设计了一款直流矩形平面磁控溅射源.测量了磁约束磁控溅射源原理样机靶面磁场强度,研究了不同工作真空度下的伏安特性以及磁控溅射电源工作在不同模式下靶电压与工作真空度之间的关系,确定了磁控溅射源正常工作时的最佳工艺参数,为磁约束磁控溅射源原理样机的结构改进提供依据.实验表明:磁控溅射靶稳定工作的电压范围是300~700V,靶电流可达到1.2A,最高工作真空度为2Pa.

关键词:磁约束;磁控溅射源;靶源特性测试;靶材利用率

中图号:T N305.92文献标志码:A

磁控溅射镀膜已经成为工业生产中最主要的技术之一,在机械、电子、能源、信息等领域得到广泛的应用[1-2].由于传统的平面磁控溅射在沉积薄膜的过程中主要在跑道环的区域溅射,靶材利用率只有20%~30%[3],生产成本居高不下.为了提高靶材利用率,溅射速率和溅射的均匀性,许多公司和个人都从不同角度提出了自己的设计,如SOL-ERAS公司的/分流设计0、/表面增强剥蚀0(Sur-face Pro filing Enhancement)技术,Singulus Technolog ies开发出的/智能阴极0(Smart Cath-o de)技术[3].采用这些方法,靶材利用率有所提高,同时也造成了磁控溅射源结构复杂,溅射速率下降等问题[4-7].文中将磁约束磁场约束等离子体的原理应用在磁控溅射技术中,将等离子体有效地约束在矩形靶面上方,在正交电磁场的作用下,溅射发生在整个靶面区域,有效地提高了靶材利用率.

1磁约束磁控溅射源的工作原理

磁控溅射是在二极溅射的基础上以增加磁场来改变电子的运动方向,束缚和延长电子运动轨迹,提高电子对工作气体的电离几率,达到提高溅射速率的目的[1]./磁约束0即磁镜效应.当带电粒子在两端强中间弱的磁场中运动时,会在强磁场处被反射回来,如同光遇到平面镜被反射一样,这种两端强中间弱的磁场被称为磁镜[8].

磁镜效应是磁矩不变性的一个重要应用,假设有一个如图1所示的磁场,磁场由两边向中间逐渐减弱.若带点粒子开始时处于磁场中的A点,运动速度为V0,跟磁场的夹角为H0.它在平行于磁场和垂直与磁场的两个方向上的速度分量分别为V M 和V L.当带电粒子从磁场较弱的区域向磁场较强的区域运动时,就是从图中A点运动到B点时,由

于磁矩L=

w L

B

是常数,而B点磁场比A点磁场

强,因而在B点时的W L应该比A点时大.W L= 1

2

mV2L,所以说带电粒子运动到B点,它的垂直速度分量要增大.由于总能量W=W L+W M是一定的,因而W L的增大是以W M的减小为代价的.当带电粒子继续前进时,W M=0.这表明粒子的纵向速度为0,不能再继续沿磁力线前进而被反射回去.好像光线照到镜子上被反射回来一样.处于中间区域的等离子体当它们沿着磁力线向两端运动时,遇

第30卷第1期西安工业大学学报Vo l.30No.1 2010年02月Jo urnal o f Xi.an T echnolo g ical U niver sity F eb.2010

*收稿日期:2009-11-18

基金资助:陕西省教育厅科研计划项目(03JS033)

作者简介:弥谦(1963-),男,西安工业大学教授,主要研究方向为薄膜技术.E-m ail:m iqianm i@https://www.360docs.net/doc/8d14577207.html,.

到强磁场被反射回来,这样等离子体就可以被约束在两面/镜子0之间的中间区域而不损失掉

.

图1 磁镜装置的磁场位形Fig.1 M ag net ic field config ur atio n o f

mag netic mir ro r system

磁约束磁控溅射源是基于磁约束原理的一款新型磁控溅射源.其原理示意图如图2所示.磁体N,S 极分别放置在靶的两侧.溅射源在工作的过程中,工作气体(Ar)被电离形成A r +

离子和电子,电子被约束在磁极之间的区域来回往复运动,增加了工作气体的电离率,在电场的作用下,A r +离子加速轰击靶材,溅射出靶材原子沉积在基片上形成薄膜.由于等离子体被约束在整个靶面上方,沉积薄膜的过程中溅射发生在整个靶面,从而提高了溅射的速率和靶材利用率

.

1-基片;2-磁力线;3-等离子体;

4-溅射靶材5-永磁体;6-靶冷却水;7-导磁体

图2 磁约束磁控溅射源原理示意图Fig.2 Schemat ic of magnetic confinement

sputter ing tar get so ur ce

2 溅射靶工作特性测试

使用高斯计对测试靶靶面水平磁场强度进行了测量,绘制出靶面磁场强度分布曲线图;通过实验得出不同工作真空度下磁控溅射靶的伏安特性曲线;研究了磁控溅射电源在不同工作模式下靶电

压与工作真空度之间的关系.

2.1 靶面磁场强度测量

磁控溅射沉积薄膜的过程中,靶面水平磁场分量起到至关重要的作用.对于大多数靶来说,场强在20~50mT 之间变化时,溅射功率接近线性增长[1].为此,按图3所示方向,使用高斯计对靶面磁场的强度分布进行了逐点测量.为了提高测量的精度,测量中使用了坐标仪,使得测量方向保持严格的直线方向和相同的间隔.

图3 测量靶面磁场方向示意图Fig.3 Directio n o f measurement

测量结果如图4和图5所示,靶平面X 轴方向磁场强度分布较平缓,场强差较小,与垂直于靶面的电场形成正交的电磁场.场强在42~48m T 之间,Y 轴方向磁场强度两端强,中央弱,符合磁约束磁控溅射源对磁场的要求.

图4 矩形靶面X 轴上的磁场强度分布F ig.4 M ag netic density distr ibution

along X ax is of tar get surface

图5 矩形靶面Y 轴上的磁场强度分布F ig.5 M ag netic density distr ibution

along Y axis o f targ et sur face

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西 安 工 业 大 学 学 报 第30卷

2.2 溅射靶伏安特性

使用M S -20K 直流磁控溅射电源,设置磁控溅射电源工作在恒流模式下,使用纯度为99.99%的Ar 气为工作气体.在本底真空为5@10-3Pa,增加气体流量的同时不断增加设定的电流值,溅射源起弧.待放电稳定,依次由小到大调节靶电流记录相应的靶电压值,再由大到小调节靶电流记录相应的靶电压值,两次测量的靶电压存在微小偏差,取其平均值.分别记录真空度为6Pa,4Pa,2Pa 时的靶电压与靶电流的变化关系.实验结果如图6所示.实验表明,在不同的工作真空度下,磁约束磁控溅射源的伏安特性曲线趋于一致.对于一定的工作真空度,靶电压随靶电流的增大而增大;对于一定的靶电压,放电电流随真空度的下降而增大.放电过程中辉光非常稳定,磁控溅射源工作实况如图7所示,稳定工作的电压范围是300~700V 之间,靶电流可达到1.2A.表明磁控溅射源具有较宽的稳定工作范围

.

图6 不同工作真空度的伏安特性曲线Fig.6 I -U char act eristics in different vacuum

level

图7 磁约束磁控溅射源工作照片F ig.7 T he w or king state of mag netic confinement sputt er ing t arg et so ur ce

2.3 工作真空度与电压之间的关系

工作真空度是磁约束磁控溅射源工作时的一个重要参数,测量靶电压与工作真空度之间的关系可以得到靶电压稳定工作时所需要的工作真空度

范围.为了检验磁约束磁控溅射源工作的稳定性,

分别检测了电源工作在不同模式下的工作真空度与靶电压的关系.当本底真空度为5@10-3

Pa,不断增加氩气流量,电源工作在恒流模式下,设置电流I 分别为0.4A,0.6A,0.8A 时,改变工作真空度,记录靶电压变化值.如图8所示,恒流模式下的工作真空度与靶电压的关系.同样,设置电源工作在恒功率模式下(P =0.2kW)绘制靶电压与工作真空度的关系曲线如图9所示.

图8 恒流模式下的工作真空度与靶电压关系Fig.8 T he r elatio n betw een tar get v oltage and vacuum in constant -cur rent dr iv ing model

图9 恒功率模式下的工作真空度与靶电压关系Fig.9 T he r elatio n betw een tar get v oltage and vacuum in constant -po wer dr iv ing model

实验表明:电源工作在恒流和恒功率模式下磁控溅射源工作稳定;在不同的靶电流下,靶电压随工作真空度的下降而下降;随着靶电流的增加,辉光稳定增强.这是因为,当氩气流量增大(工作真空度下降)的时候,气体放电等离子体的密度增加,气体放电的等效电阻减小,故靶电压减小.反之,当气

体流量不断减小(工作真空度上升)的时候,等效电阻不断增大,靶电压增大.同理,在恒功率模式下,工作真空度下降时,放电等离子体的密度增大,等效电阻减小,由于功率恒定,则靶电压随工作真空度的降低而减小.

3 结论

本文通过对磁约束磁控溅射源原理样机靶面

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第1期 弥谦等:磁约束磁控溅射源的工作特性测试

磁场的测量,伏安特性的测试以及工艺参数的研究,得出以下结论:

1)磁约束磁控溅射源稳定工作时,放电等离子体被约束在矩形靶面上方,溅射发生在整个靶面区域;

2)磁控溅射源稳定工作时的电压范围在300 ~700V之间;靶电流可达到1.2A,最高工作真空度为2Pa;

3)磁控溅射电源工作在不同模式下溅射源放电稳定.通过对磁约束磁控溅射源工作特性的研究,为磁约束磁控溅射源沉积薄膜的工艺参数优化奠定基础.

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Characteristics of Magnetic Confinement

Sputtering Target Source

MI Qian,L EI L in-na,YUA N J ian-qi

(Shaanxi Pro vince T hin Film T echnolo g y and O ptica l T est O pen Key L abo rato ry,

Xi.an T echnolog ical U niv ersity,Xi.an710032,China)

Abstract:In order to improve the utilization factor o f targ et,the team a new DC planar magnetro n sputtering targ et source is designed using theory o f m agnetic confinement.Its oper ating principle is discussed.Mag netic density on the surface of test tar get is m easured.I-U characteristics in different vacuum level and the relation betw een targ et voltage and vacuum are detected and discussed.The best technolo gical parameter is explored.T hese results can be used fo r the reference of the test equipment modification.T he w ho le surface of target is sputtered w hen the target w or ks in the conditions o f targ et voltage from300V to700V,the targ et current1.2A and the top vacuum2Pa.

Key words:mag netic confinement;m ag netron sputtering;char acteristic test;utilization factor of target

(责任编辑、校对张立新) 20西安工业大学学报第30卷