磁约束磁控溅射装置的磁场分析
磁约束磁控溅射源的磁场设计
ｔ ｅ ｃ ｎ ｔ ａ ｎ ｇ ｅ ｉ ｉｌ ａ ｒ ａ ｌ ｍ ｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｕ ｉ ｚ ｔｏ ａ ｉ ｆｔ ｒ ｅ ． ｈ ｏ ｓ ｒ ｉ ｔ ｍａ ｎ ｔ ｆ ｄ ｃ ｎ ｇ ｅ ｔｙ ｉ ｒ ｖ ｈ ｔｌ ａ ｉ ｎ ｒ ｔｏ ｏ ａ ｇ ｔ ｃ ｅ ｉ
Ａｂｓｒ ｃ ｔ ａ ｔ： Ｔｈ ｍａ ｎｅ ｉ ｆｅ ｄ ｉｔ ｉ ｔｏ ｏｆ ｅ ｇ ｔｃ ｉｌ ｄ ｓ ｒｂｕ ｉ ｎ ｍａ ｎｅ ｒ ｎ ｐ ｔ ｒｎｇ ｏａ ｉ ｅ ｕｉ ｇ ｔ ｏ ｓ ｕｔｅ ｉ ｃ ｔｎｇ ｑ ｐｍｅ ｔ ｎ ｈａ ａ ｓ ｓ ｒｏ ｓ ｅ ｆ ｃ ｎ ｆｌ ｃ ａ ｉ ｅ ｉ ｕ ｆｅ ｔ ｏ ｉｍ ｏ ｔｎｇ． Ｉ ｒ ｅ ｏ ｉ ｐ ｏｖ ｈ ｉｉａ ｉ ａ ｉ ｆ ｔ ｒ ｅ ｆ ｍａ ｅ ｒ ｎ ｎ ｏ ｄ ｒ ｔ ｍ ｒ ｅ ｔ ｅ ｕｔｌｚ ｔｏｎ ｒ ｔｏ ｏ ａ ｇ ｔ ｏ ｇｎ ｔ ｏ
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利 用率 ，设计 组抛 弃 了传 统 的 “ 道环 ”形式 的磁 场 设计 理念 ，而是 将 永磁 体或 电磁 体分 置溅 射 跑
靶 的两侧 ，使其 在 溅射靶 表 面上 方产 生磁 约束 （ 镜 ）磁 场 。本 设 计使 用有 限元 分析 方 法对磁 场 磁 进行仿 真 计算 ，通过模 拟磁 场 计算 结果 和 实测 结果 的比较 ，验证 有 限元 方 法的 可靠性 。Ａｎ ｙ ｓ ｓ有
磁控溅射工作原理
磁控溅射工作原理
磁控溅射是一种常用的薄膜制备技术，其工作原理主要包括磁场控制和离子控制两部分。
具体的工作原理如下：
1. 磁场控制：磁控溅射系统中一般有一个磁控溅射靶，靶材通常为金属或合金。
该靶材被放置在真空腔室中，并通过电源提供一个较大的直流电流。
这个直流电流会在靶材上产生一个电弧，随后靶材表面的原子会被电弧的高温高能所击打。
2. 离子控制：一个电子枪会产生一个束流的电子，该束流电子被加速，并进入到真空腔室中。
这些高速运动的电子会和靶材表面被击打出来的原子发生碰撞，产生溅射过程。
在这个过程中，靶材上的原子会离开靶材表面，并以高速沉积到待膜的基底材料上。
通过以上两个过程的共同作用，磁控溅射技术可以实现薄膜材料的制备。
在具体操作中，可以通过调节电弧电流、电子束流密度和速度等参数来控制溅射的行为和薄膜的性质。
磁控溅射技术具有简单、灵活、无毒污染等优点，因此在材料制备和表面修饰等领域得到广泛应用。
磁控溅射中电磁场分布二维模拟
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
磁控溅射中电磁场分布二维模拟
本文采用计算机FORTRAN 语言自主编程，通过建立通电线圈磁场的数学模型，对磁控溅射靶附近由通电线圈产生的磁场分布进行了二维数值模拟计算。
计算表明当内、外线圈加反向电流，增加内或外线圈电流，可使通电线圈产生的磁场非平衡度增加，其增加强度由电流增加强度所决定。
随着内或外线圈电流增加，真空腔内磁场强度分布更均匀。
通过调节内、外电线圈电流，控制磁场分布，从而控制其对等离子体密度及能量分布，可使等离子体因磁场的均匀分布而在真空腔内分布均匀化。
另外，这种外加的电磁场还会使磁控装置本体磁场增强，因此对磁控溅射产生的等离子体有增强作用。
此结果为磁控溅射装置上磁场配置提供重要参考依据。
磁控溅射技术作为有效薄膜沉积的一种方法，已成为现在工业镀膜过程
中主要的生产技术之一，普遍地应用到微电子、光学薄膜和材料表面处理等领域。
磁控溅射系统的关键核心技术是磁控溅射靶的设计，如磁控靶磁场所配置、柱形磁控靶及可移动矩形磁控靶等。
国外在磁控溅射技术分析和设计方面优势明显，已经实现了专业技术的产业化，许多国内的磁控溅射设备制造商磁场设计较随机。
基于此，国内许多研究者开始在矩形平面靶、圆形靶及柱状靶的磁场分
布及优化、外加线圈子改变磁场结构及磁控靶表面刻蚀进行了数值模拟计算。
赵卓等对封闭非平衡磁场的计算表明，外场增强的磁场可与底靶对面的磁场形成一定程度的封闭，从而使磁场有一定程度的空间均匀分布。
平面磁控靶中，改变磁子及极靴尺寸和形状、加导磁片等，可控制磁场的径向分布，增加水平磁感强度，从而使靶表面的刻蚀跑道变宽。
真空技术网(chvacuum/)认为增大旋。
旋转磁控溅射技术研究报告
旋转磁控溅射技术研究报告旋转磁控溅射技术研究报告引言：旋转磁控溅射技术是一种基于磁场控制下的溅射工艺，通过使用旋转式靶材和外加磁场，实现对溅射材料进行均匀喷涂的技术。
本报告旨在研究旋转磁控溅射技术的原理、工艺参数以及应用领域，以期推动该技术的研发和应用。
一、旋转磁控溅射技术原理旋转磁控溅射技术的核心是通过磁场和靶材的旋转运动实现溅射材料均匀喷涂。
在溅射过程中，加在靶材上的高能量粒子（如离子、电子等）撞击靶材，将其表面的原子或分子击碎，喷射到目标表面上形成薄膜。
而通过控制外加磁场和靶材的旋转，可以使靶材上的喷射均匀分布在目标表面上，提高薄膜的质量和均匀性。
二、旋转磁控溅射技术的工艺参数1. 旋转速度：旋转速度是控制基底与靶材之间相对运动的关键参数。
合适的旋转速度可以实现均匀的溅射并优化薄膜的厚度和质量。
2. 靶材与基底的距离：控制靶材与基底的距离可以调节溅射材料到达目标表面的能量和角度。
合理的距离能够确保薄膜的均匀性和粘附力。
3. 磁场强度：磁场的强度直接影响到溅射离子的运动轨迹和击碎效果。
适当的磁场强度能够提高溅射效果，改善薄膜的致密性和结晶度。
4. 气体流量：在溅射过程中，通过提供适量的惰性气体（如氩气）可以稳定等离子体放电并保持薄膜成分的纯净度。
三、旋转磁控溅射技术的应用领域1. 太阳能电池薄膜：旋转磁控溅射技术可以用于制备各种太阳能电池的功能薄膜。
通过调节工艺参数，可以制备具有优异光电转换性能和稳定性的太阳能电池。
2. 导电薄膜：旋转磁控溅射技术可以用于制备导电薄膜，如透明导电膜、传感器电极等。
这些薄膜具有良好的导电性和光透过性，广泛应用于光电子器件和触摸屏等领域。
3. 防腐蚀涂层：利用旋转磁控溅射技术制备的防腐蚀涂层可以在金属表面形成坚硬、致密的保护层，有效延长金属材料的使用寿命。
4. 功能薄膜：旋转磁控溅射技术还可制备具有特殊功能的薄膜，如光学薄膜、防反射膜、硬质涂层等。
这些薄膜在光电子、光学和航空航天等领域有着广泛的应用。
磁控溅射靶的磁场排布分析
图2 通常磁钢排布形成的刻蚀 通过面积计算可知, 上述的磁钢排列方式,靶材的利用率大约 只有20
%。可见通常的磁钢排列方式, 难以获得高的靶材利用率和沉积 速率。
磁控溅射技术也有其自身的不足,如靶材利用率低、沉积速率低 和离化率低等缺点。其中靶材利用率是由于靶面跑道的存在,使 等离子体
约束于靶面的局部区域, 造成靶材的区域性溅射。跑道的形状是 由靶材后面的磁场结构所决定的。提高靶材利用率的关键是调整 磁场结
构, 使等离子体存在于更大的靶面范围, 实现靶面的均匀溅射。 对于磁控溅射,可以通过增加靶功率的方法实现溅射产额的提高,
邻磁钢极性相反,即NSN或SNS) 。
图1 磁钢排布和磁力线分布图 图1 中的磁力线分布是通过数
值模拟方法计算出来的, 可以看出在靶面磁力线近似平行于靶面 的范围很窄。由于在磁控溅射系统中, 靶面的溅射区域主要集中 在磁
acdb,真空镀膜设备/,
力线近似平行于靶面的范围。随着溅射不断进行, 刻蚀槽的宽度 随着刻蚀深度的增加不断变窄, 最后形成的刻蚀轮廓如图2 所示。
磁控溅射靶的磁场排布分析
近几十年来,磁控溅射技术已经成为最重要的沉积镀膜方法之 一。广泛应用于工
业生产和科学研究领域。如在现代机械加工工业中,利用磁控溅 射技术在工件表面镀制功能膜、超硬膜、自润滑薄膜。在光学领 域, 利
用磁控溅射技术制备增透膜、低辐射膜和透明导膜, 隔热膜等。 在微电子领域和光、磁记录领域磁控溅射技术也发挥着重要作用。 然而
平面磁控溅射源, 通过传动机构使磁体组合在靶材背面做菱形或 梅花形运动,使整体靶材利用率达到61%; 通过多磁路的配合调整
, 实现靶面低压全面刻蚀。调整磁场的结构还可以改善膜厚度的 均匀性。通过调整磁场的强弱比例,而发展的非平衡磁控溅射技 术,更
磁控溅射靶磁场的模拟优化设计
磁控溅射靶磁场的模拟优化设计摘要：本文基于磁控溅射的磁场分布水平和磁场强度在镀膜性能与质量上影响与价值分析，结合磁控靶材的结构及其磁场的计算方法和步骤的探讨，以及利用ANSYS软件对磁控溅射靶磁场的分布及其相关参数作二维的模拟与分析，对影响磁控溅射磁场分布和磁场强度的主要素和作用机制作详细的分析，以为优化磁控溅射靶的设计，达到正常溅射工作对靶材表面磁场分布及大小的要求提供借鉴与参考。
关键词：磁控溅射；靶材；磁场；ANSYS二维模拟；优化设计磁控溅射作为当下最为常见沉积镀膜技术之一，因其薄膜制备牢固、致密的优势，被广泛应用于材料的表面改性和新材料的开发利用过程之中。
但由于磁性靶材刻蚀不均匀等原因的产生，造成磁控溅射靶的磁场分布、磁性强度和靶材利用率难以满足正常溅射技术的实施，从而导致镀膜质量和性能的偏差。
因此就需要通过对磁控溅射靶的结构参数和磁场进行计算，并利用专用的模拟软件对磁场分布进行仿真的模拟，以此才能精准实现从优化磁场分布及磁场强度的靶材设计与改进层面提高溅射镀膜技术发展水平。
1、磁性靶材的结构1.1磁控溅射的实施原理磁控溅射改变了传统溅射方法沉积镀膜速率低、所需工作气压高、放电不易维持的缺点，其利用磁场来实现对电子运动路径进行延长和束缚，从而有效提升了电子的离化率，达到了对电子能量更加充分的利用。
在此过程中，大量的高能量正离子以有效的沉积速率轰击靶材，并在正交磁场的束缚作用下，实现电子能量耗尽后的低温沉积，以带来更加致密、牢固且物理性能良好的溅射薄膜。
1.2磁性靶材的结构及利用率磁控溅射靶材的结构包括溅射区域（可以分为主溅射区和次溅射区）和非溅射区域，其中每一个区域都包含着靶基厚度、靶材刻槽、水平磁通密度、导磁率等的性能参数，而这些性能参数都会对磁场的分布和磁场强度构成影响，从而影响磁性靶的刻蚀度和利用率，导致镀膜的厚度与性能存在差别。
理论上来说，靶材厚度越薄，厚度分布越均匀，其实现磁场分布、磁性强度和靶材利用率水平也就越高，但是靶材的厚度影响着靶材的使用寿命，因此在对磁控溅射靶磁场进行优化的时候，一方面可以通过在靶表面（一般是在非溅射区域）设置一定形状的槽型图案，实现必要的微观糙化，助力靶材表面上正交磁场的产生；另一方面可以将靶材的次溅射区相对于主溅射区减薄，并在次溅射区的边缘与主溅射区之间设置斜坡状的过渡区域，还需在过渡区与主溅射区及次溅射区的拐点位置引入倒角，以此实现靶材厚度适当削弱的同时，提高靶材的磁性寿命，并实现磁性溅射靶材表面磁场分布的均匀性，强化磁性靶材的利用率和溅射性能[1]。
磁约束磁控溅射装置的磁场分析
２０ ０
磁 铁 间 距／ ｍｍ
图２ 不 同厚 度 磁铁 的 磁场 强 度 分布 图
图３ 不 同相 对 磁铁 间 距 的磁 场强 度 分 布 图
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Ｓｃｉ ｎｃｅ ｅ ａｎ Ｔｅｃｈ ｄ ｎｏｌ Ｏｇｙ ｎｎｏ ｉ ｖａｔ ｏ Ｈｅ ａｌ ｉｎ ｒ ｄ
工 业 技 术
磁 约 束磁 控 溅 射装 置的磁 场 分 析 ①
潘婷 弥谦 （ 陕西省 薄膜技术 与光学检 测重 点实验 室 西安 ７１ ０ ２） ３ ０
５ ４∞ ∞ 鲫船 目＼ ４
１ 引言
本 文 中 靶 材 选 用 的 是 矩 形 铝 靶 ， 铁 磁 分 布 在 靶 的 两 侧 。 场 的 主 要 作 用 是 维 持 磁 系统 较 高 的 等 离子 体 密 度 ， 降低 放 电 电压 。 如 图１ 所示 在 合 适 的 电场 和 磁 场 强 度 下 ， 磁 约束 磁 控 溅 射 装 置可 以有 效 地 约 束 靶表 面 发射 出 的 二 次 电子 ， 些 电子 不 会 直接 向 这 阳极 运 动 ， 是在 阴极 表 面做 螺 旋 形 的Ｅ Ｘ 而 Ｂ 移 运 动 ， 到 刻蚀 靶 材 的 效 果Ｉ。 漂 达 ３ ｊ 相 对 于 目 前 磁 控 溅 射 技 术 ， 种 装 置 这 具有如下 优点。 （ ） 材 下 方 可 以 不 需 要 磁 体 ， 的 整 １靶 靶 体 结 构 简 单 ， 有 移 动 机 构 ， 换 靶 材 方 没 更 便 ， 冷效 果 好 。 水 磁约 束 磁 场 在 靶的 表 面 形 成 近 似 平 行 靶 面 的 磁 场 ， 以 实 现 靶 的表 可 面 产 生 均匀 溅 射 ， 靶材 利 用 率 大幅 度提 高 。 （ ） 极 在 靶材 的两 侧 ， ２磁 间距 较 大 ， 磁场 强 度 分 布 由 靶 材 表 面 到 基 片 方 向 逐 渐 减 弱， 等离 子 区 域 被扩 大 到 基 片 表 面 ， 以达 可 到 非 平 衡 磁 控 溅射 的 效 果 ， 片 和 薄 膜 受 基 粒 子 轰 击 并 被 加 热 ， 到 了 离 子 柬 辅 助 沉 起 积 的作 用 ， 少 了薄 膜 的 内应 力 ， 高薄 膜 减 提
磁控溅射靶磁场结构优化后实际刻蚀效果与实验
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟磁控溅射靶磁场结构优化后实际刻蚀效果与实验。
在镀介质膜时,反应气体在靶面非溅射区域容易形成不导电的介质膜,在介质膜上的电荷积累到一定的成度,形成弧光放电, 造成等离子体的不稳定。
优化磁场结构设计制造的磁控溅射源能够有效的解决上述问题,无论在金属模式下,还是在反应模式下镀膜,对生产效率的提高,都有很大的促进作用。
磁控溅射靶磁场结构优化后实际刻蚀效果实验及分析实验的主要内容是比较通常磁场结构和优化的磁场结构溅射源沉积成膜的均匀性。
为了对比说明,两种结构的溅射靶保持在相同的工艺条件,实验中本底真空为5 乘以10-3Pa,工作气体为氩气,工作真空度为2.3 乘以10-1Pa,真空度和气体流量分别由真空计和气体流量来调节和控制。
实验中两种磁场结构靶面尺寸都为1200mm 乘以120mm,靶功率为15kW。
在实验中采用晶振仪动态测量膜的厚度。
晶振片距离靶面距离为100 mm,在沉积成膜时,晶振仪探头从靶面的一端移动到另一端。
测量结果经过单位换算如图9 所示。
可见改进的磁场结构沉积成膜的均匀性要比通常结构的沉积成膜要好。
对于通常磁场结构镀制膜的均匀性偏差大致有20%,而改进的磁场结构沉积成膜的均匀性偏差大致有10%。
沉积成膜的均匀性的提高是由于靶溅射面积的增加所引起的。
图9 两种磁场结构膜的沉积速率为了了解磁控溅射源的性能,对两种磁场结构的溅射源的伏安特性曲线进行了测量。
磁控溅射的伏安特性曲线符合以下经验公式:式中实验中分别测量靶在2.3 乘以10-1Pa 和3.9 乘以10-1Pa 真空度下的伏安特性。
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磁约束磁控溅射装置的磁场分析
摘要:磁约束原理目前主要应用于热核聚变中,本文介绍了磁约束原理及依据磁约束原理设计的磁控溅射装置,同时利用ANSYS11.0有限元分析软件对磁约束磁控溅射装置的磁场进行模拟计算,计算磁铁数量、厚度及相对磁铁间距对磁场的影响,进而得出靶面磁场强度的分布情况,并将数值模拟数据与实验测得数据做了对比分析。
结果表明,实验实测数据与有限元分析数据基本一致,模拟结果为磁约束磁控溅射装置的设计提供了比较准确的数据资料。
关键词:磁约束有限元磁控溅射磁场强度
1 引言
磁控溅射技术作为一种镀膜技术,具有“高速”、“低温”的特点。
如今已经发展成为工业镀膜生产中最主要的技术之一,主要适合大面积镀膜[1]。
实验室目前应用的磁控溅射靶仍然存在一些缺点,如磁控溅射靶靶材利用率一般只有20%～30%、溅射效率也比较低一般只有5.2原子/keV等,这些缺点对于普通材料的制备,如TiN等的溅射成本没有太大影响,但是,随着现代材料技术的发展,一些材料如金、银、铂等贵金属,以及一些高纯度合金材料,如Ti3Al等,以及一些功能膜如ITO膜、电磁膜、超导膜、电子膜、电介质膜等膜层需要的靶材都及其昂贵,因此如何提高磁控溅射靶靶材的利用率相当重要[2]。
本文基于磁约
束的原理设计了一种磁场结构,所谓的磁约束原理就是“磁镜”效应,采用中间强两边弱的磁场将等离子体约束在靶面上方。
本文中靶材选用的是矩形铝靶,磁铁分布在靶的两侧。
磁场的主要作用是维持系统较高的等离子体密度,降低放电电压。
如图1所示在合适的电场和磁场强度下,磁约束磁控溅射装置可以有效地约束靶表面发射出的二次电子,这些电子不会直接向阳极运动,而是在阴极表面做螺旋形的E×B漂移运动,达到刻蚀靶材的效果[3]。
相对于目前磁控溅射技术,这种装置具有如下优点。
(1)靶材下方可以不需要磁体,靶的整体结构简单,没有移动机构,更换靶材方便,水冷效果好。
磁约束磁场在靶的表面形成近似平行靶面的磁场,可以实现靶的表面产生均匀溅射,靶材利用率大幅度提高。
(2)磁极在靶材的两侧,间距较大,磁场强度分布由靶材表面到基片方向逐渐减弱,等离子区域被扩大到基片表面,可以达到非平衡磁控溅射的效果,基片和薄膜受粒子轰击并被加热,起到了离子束辅助沉积的作用,减少了薄膜的内应力,提高薄膜的致密度[4]。
(3)由于在靶的整个表面都形成等离子区,溅射过程发生在整个靶表面,改变以往磁控溅射主要溅射在环形跑道区域,溅射速率提高2～3倍。
2 磁场的计算
对于相同的磁控溅射靶,装置尺寸越大,永磁体产生的磁场强度应该越弱；如果考虑溅射速率,优先设计的磁场强度应强些,但溅射功率等指标并不会随着磁场强度的增加而增加,因为过高的磁场强度会降低靶材利用率[5]。
当前磁约束磁控溅射装置中的永磁铁选用的是钕铁硼,尺寸为50mm×50mm×10mm,文中矩形平面靶的靶长度远大于宽度,在整个靶的工作区域磁场分布基本一致。
因此对于工作区域的磁场我们采用ANSYS有限元软件进行分析计算[6]。
2.1 磁铁厚度对磁场的影响
文中在ANSYS模拟过程中,分别对永磁铁的厚度为10mm、15mm、20mm、25mm时所产生的磁场进行模拟对比,最终得出磁场强度分布曲线如图2所示,从图2中可看出当磁铁厚度为10mm时,磁铁两端的磁场强度与中心点磁场强度比值最大,且磁场强度分布比较对称,也就是说磁铁厚度为10mm时磁约束效果最好。
由此可见,磁铁的厚度对磁约束装置中的磁场强度分布是有一定影响的,厚度越大,磁约束效果越差。
2.2 磁铁间距对磁场的影响
在磁铁的设计中分别对磁铁间距为140mm、160mm时的磁场进
行模拟,得出磁场强度分布曲线如图3所示。
从图中可以看出当磁铁间距为160mm时,磁场强度分布比较对称,两端磁场强度与中心点磁场强度比值较大,即磁约束效果较好。
从以上的模拟结果可以得知,磁铁的最终参数为厚度10mm,磁铁间距为160mm。
通过实验的验证得出如图4所示的磁场强度分布曲线。
图4为实测靶面磁场强度与模拟值的对比,首先,从图中可以看出靶面Y轴方向的场强分布是两边强中间弱,由于两侧磁铁的作用从而验证了磁约束原理,其次,理论值与实际值基本吻合,但仍存在一定的偏差,原因是因为在理论模拟过程中网格的划分存在误差造成的,而实际测量时磁铁的磁场可能也会受到外界一些因素的影响而与实际值有所偏离,但这些基本都在误差范围之内,对实验结果影响不会很大。
3 结语
通过研究磁场对磁控溅射过程的影响,总结出矩形平面直流磁控溅射装置工作区域的磁场强度分布情况。
文中采用不同结构参数进行了对比分析,得出磁铁厚度为10mm、相对磁铁间距为160mm时约束效果较好。
同时通过理论分析与实际验证,得知采用该结构时可以达到较好的磁约束效果,磁场分布满足两端强中减弱的“磁镜效应”,可以将等离子体约束在中间区域,得出靶面场强基本在60mT左右,符合磁
控溅射时靶面场强40mT-60mT的要求范围。
参考文献
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