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      技術交流

      磁控濺射靶靶型分類

      磁控濺射靶靶型分類

      u靶型開發的歷程大致如下:首先開發的是軸狀靶→圓盤形平面靶→S-槍→矩形平面靶→各種異形靶→對靶或孿生靶→靶面旋轉的圓柱靶→靶-弧復合靶→……,目前應用最廣泛的是矩形平面靶,未來最受關注的是旋轉圓柱靶和靶-弧復合靶。
      u同軸圓柱形磁控濺射
      在濺射裝置中該靶接500-600V的負電位,基片接地、懸浮或偏壓,一般構成以濺射靶為陰極、基片為陽極的對數電場和以靶中永磁體提供的曲線形磁場。
      ?圓柱形磁控濺射靶的結構
      1—水咀座;2—螺母;3—墊片;4—密封圈;5—法蘭;6—密封圈;
      7—絕緣套;8—螺母;9—密封圈;10—屏蔽罩;11—密封圈;12—陰極靶;
      13—永磁體;14—墊片;15—管;16—支撐;17—螺母;18—密封圈;19—螺帽
      ?
      圓柱形磁控濺射靶的磁力線
      在每個永磁體單元的對稱面上,磁力線平行于靶表面并與電場正交。磁力線與靶表面封閉的空間就是束縛電子運動的等離子區域。在異常輝光放電中,離子不斷地轟擊靶表面并使之濺射,而電子如下圖那樣繞靶表面作圓周運動。
      在圓柱形陰極與同軸陽極之間發生冷陰極放電時的電子遷移簡圖
      ?
      u平面磁控濺射
      ??圓形平面磁控濺射
      u圓形平面靶采用螺釘或釬焊方式緊緊固定在由永磁體(包括環形磁鐵和中心磁柱)、水冷套和靶外殼等組成的陰極體上。如下圖所以結構:
      圓形平面磁控濺射靶的結構
      1—冷卻水管;2—軛鐵;3—真空室;4—環形磁鐵;5—水管;6—磁柱;
      7—靶子;8—螺釘;9—壓環;10—密封圈;11—靶外殼;12—屏蔽罩;
      13—螺釘;14—絕緣墊;15—絕緣套;16—螺釘
      通常,濺射靶接500-600V負電壓;真空室接地;基片放置在濺射靶的對面,其電位接地、懸浮或偏壓。因此,構成基本上是均勻的靜電場。永磁體或電磁線圈在靶材表面建立如下圖的曲線形靜磁場:
      圓形平面磁控靶的磁力線
      1—陰極;2—極靴;3—永久磁鐵;4—磁力線
      該磁場是以圓形平面磁控靶軸線為對稱軸的環狀場。從而實現了電磁場的正交和對等離子體區域的封閉的磁控濺射所必備的條件。由磁場形狀決定了異常輝光放電等離子區的形狀,故而決定了靶材刻蝕區是一個與磁場形狀相對稱的圓環,其形狀如下圖:
      圓形平面靶刻蝕形狀
      u冷卻水的作用是控制靶溫以保證濺射靶處于合適的冷卻狀態。溫度過高將引起靶材熔化,溫度過低則導致濺射速率的下降。
      u屏蔽罩的設置,是為了防止非靶材零件的濺射,提高薄膜純度。并且該屏蔽罩接地,還能起著吸收低能電子的輔助陽極的作用。其位置,可以通過合理設計屏蔽罩與陰極體之間的間隙來確定,其值應小于二次電子擺線軌跡的轉折點距離dt,一般≤3mm。
      u磁控濺射的磁場時由磁路結構和永久磁體的剩磁(或電磁線圈的安匝數)所決定的。最終表現為濺射靶表面的磁感應強度B的大小及分布。通常,圓形平面磁控濺射靶表面磁感應強度的平行分量B1為0.02-0.05T,其較好值為0.03T左右。因此,無論磁路如何布置,磁體如何選材,都必須保證上述B1要求。
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      ?
      ??矩形平面磁控濺射靶
      2?一個典型的矩形平面靶斷面結構圖
      其結構與圓形平面磁控濺射靶基本相同,只是靶材是矩形的而不是圓形平面。
      2?其磁力線形狀見下圖:
      矩形平面磁控濺射靶的磁力線
      2?磁體布局
      磁體的布局直接影響濺射靶的刻蝕均勻程度和沉積膜厚均勻性。為了改進該均勻性,可采用下圖所示磁體布局:
      矩形陰極改進了沉積膜厚度分布后的磁鐵排布情況:
      (a)—雙環;(b)—帶隙磁鐵;注明了實驗測定的均勻度
      可見,矩形平面磁控濺射靶的兩個端部是刻蝕和膜厚分布不均勻問題最嚴重的部位。其原因是端部磁場不均勻并與中部存在著差異。因此,保證磁路的長寬比大于3,基片應沿矩形靶的寬度方向運動或矩形靶加長使其端部位于基片之外。
      2?靶材的安裝
      安裝方式分直接水冷和間接水冷兩種形式。采用間接水冷,為了保證靶材的冷卻效果,應將其緊緊壓在水冷背板上,為此,壓框與水冷卻背板得間隙y必須大于0.5mm。我們一般采用的是在靶材上開螺釘孔,直接用螺釘將靶材連接到水冷背板上,為了使傳熱效果更好,在兩者之間壓一層薄薄的石墨紙。此外,也可以采用釬焊技術將靶材焊接在水冷背板上。安裝形式如下圖:
      靶材冷卻型式
      (a)—直接冷卻;(b)—間接冷卻;
      1—壓框;2—靶材;3—背板;4—密封圈;5—冷卻水;6—陰極體
      2?靶材刻蝕區域
      對比如下兩圖:
      2?平面磁控濺射的工作特性
      1)?電壓、電流及氣壓的關系:通常,平面磁控濺射的工作條件為陰極電壓300-600V、電流密度4-60mA /cm2、氬氣壓力0.13-1.3Pa、功率密度1-36W/cm2。
      (a)—各種氣壓下, 矩形平面磁控陰極的電流——電壓特性
      (b)—恒定的陰極平均電流密度數值下,陰極電壓與氣壓的關系
      2)?沉積速率
      沉積速率是表征成膜速度的物理量,其值與濺射速率成正比。由于濺射靶的不均勻濺射和基片的運動方式決定了薄膜沉積的不均勻性。
      平面磁控濺射的基片運動方式
      (a)—行星運動;(b)—有小孔屏蔽極的平面運動;
      (c)—鼓形轉動;(d)—直線運動
      因此,一般以膜的平均厚度除以沉積時間所定義的平均沉積速率(nm/min)來表征沉積速率。平均沉積速率與濺射靶的功率密度(W/cm2)的比值稱為功率效率。在靶尺寸、磁路及功率密度一定時,沉積速率將隨著靶材變化。對于非鐵磁性材料,該變化是由于濺射率的差別而引起的。下表列出了600eV離子能量的濺射速率:

      ?

      靶材材料
      濺射率(600eV)
      濺射速率(nm/min)
      Ag
      3.40
      2660
      Al
      1.24
      970
      Au
      2.43(500eV)
      1900
      Co
      1.36
      1060
      Cr
      1.30
      1020
      Ti
      0.58
      450
      Ni
      1.52
      1190

      ?

      氣體壓力對平面磁控濺射沉積速率的影響如下圖:
      可見,對于具體的濺射裝置和濺射條件,有一個最佳的氣體壓力值。
      為盡可能地提高沉積速率,基片應盡量靠近濺射靶,但必須保證穩定地異常輝光放電。通常,其最小間距為5-7cm。
      最大功率密度是限制沉積速率的另一個主要因素。
      綜上所述,濺射靶刻蝕區尺寸及其功率密度、靶-基距、靶材、氣壓、磁路及磁物等參數均是影響沉積速率的因素。濺射靶的熱學特性和機械特性則是限制最大沉積速率的因素。
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