磁控溅射靶设计--转

zz309 · 发表于 2010-6-18 14:00:10

目前在工业镀膜生产中，磁控溅射技术已成为主要的技术之一。相关的磁控溅射镀膜设备也发展迅速。磁控溅射镀膜设备主要由溅射室、真空系统、磁控溅射靶、电源系统、布气系统、控制系统和传动系统组成。其中磁控溅射靶和电源部分是镀膜系统的核心。磁控溅射靶和电源部分作为真空溅射室中电磁场的源泉，直接控制着溅射过程的发生与等离子、溅射粒子的运动轨迹，是实现溅射镀膜的关键，而磁控溅射靶提供磁场的作用又是其中关键的关键，因此磁控溅射靶的设计制造能力对于整套镀膜设备的开发起到了至关重要的作用。
1、靶设计的主要内容
靶设计主要考虑靶面的磁场分布、溅射速率、沉积速率以及靶材的利用率、还要考虑导电、导热、磁屏蔽、冷却、密封和绝缘等诸多因素，其中电磁场的分布以及由以上因素决定的等离子体的特性是考虑的重点。
在磁控溅射靶中磁场的作用是提高电离效率，理想的磁场应该是在整个靶面范围内均匀分布，尽量增强靶面范围内各处磁场的水平分量，提高其均匀性。但在实际的靶结构中，不均匀分布的磁场产生不均匀的等离子体，因而靶面上不同位置的溅射速率不同，剥蚀速度不同，同时膜层沉积的均匀性也不好，显然增强磁控溅射靶磁场的均匀性能够增加靶面剥蚀的均匀性，从而延长靶的寿命，提高靶材的利用率；同时合理的电磁场分布还能有效地提高溅射过程的稳定性。
2、靶设计的通用办法
磁场分布在整个溅射过程中起着至关重要的作用，如何有效地分析各种设计情况下溅射室中的电磁场(主要是磁场)分布，从而确定放电情况、等离子体分布、溅射过程以及靶面的剥蚀情况，对靶和整个溅射设备的设计来说至关重要。

图1 通行的靶分析及设计流程

对于溅射室中电磁场的分析主要采取的方法有两种：有限差分法和有限元法，其中更常用的是有限元法，它将由偏微分方程表征的连续函数所在的封闭场域划分为有限个小区域，在每个小区域用一个选定的近似函数来代替，于是在整个场域上的函数被离散化，由此获得一组近似的代数方程，并联立求解，以获得该场域中函数的近似数值。
对于放电和溅射过程通常采用的方法是包括蒙特卡罗方法在内的数值模拟法。粒子模拟的方法是通过跟踪大量带电粒子在它们的自恰场和外加电磁场中的运动来模拟等离子体的动力学特性；流体模拟是从宏观的角度研究等离子体大范围、长时间的性质，将微观得到的输运系数等作为已知条件，数值求解磁流体方程，把等离子体当作连续的流体来处理。总的来说粒子模型较流体模型精确,但是运算量十分巨大，两者不在同一个数量级上，因此很多情况下都采用混合模拟方法。
另外在设计过程中还需要综合考虑其他因素的影响，如电源（直流DC、交流AC、射频RF和脉冲Pulse），抽气系统，布气系统和磁屏蔽等都会对溅射产生严重的影响。应针对每种情况对靶的设计进行相应的调整。
3、靶设计现状
一般来说国外的镀膜或设备公司都有一整套关于靶设计技术，属于核心机密；同时还有很多专门从事这方面分析、设计和制造的公司，它们会提供一些设计软件，并根据客户的要求进行优化设计，例如有 GENCOA、SOLERAS、SINGULUS PRAXAIR ORION SOURCES、TECHNOLOGIES等。国内在靶的分析、设计方面与国际先进水平之间还存在比较大的差距，基本处于仿制和购买的阶段，还没有形成专业化和产业化。国内企业如果仅仅是单纯地仿制国外靶的设计结构，一方面很难达到该设计的预期效果，同时长此以往很难同国外企业进行竞争；如果购买国外公司的设计，一方面价格过高，同时也使自己在关键技术上受制于人，因此靶的自主设计和制造具有十分重要的意义。
4、靶制造的关键
目前国内相关磁控靶设计制造公司在设计制造方面与国际先进水平还有很大的差距。本来在设计方面国内企业就差一个档次，在制造方面由于对一些关键因素关注度不够，造成在成品的性能要求与设计要求差距较大，造成我们产品在性能上与国外产品差距更大。
靶在制造方面关键点之一在于为靶磁场源选择性能优良的永磁材料。目前磁控溅射靶磁场源采用的磁性材料主要为稀土永磁，实用稀土永磁的磁性能及应用特点见下表。依据磁控溅射镀膜设备在使用过程中的特点，即靶体如果冷却效果不好时容易造成温度过高，将会影响磁场的形态，严重时还会造成退磁效应，从表中数据可以看到三代稀土永磁材料各有优点，其中Sm2Co17永磁合金具有优异的磁性能，良好的热稳定性和抗腐蚀性，而且可以在高温下稳定地产生磁场，最大限度的免受温度的影响，使系统运行稳定；同时由于Sm2Co17永磁合金的抗腐蚀性将使溅射靶磁系统的使用寿命大大延长，有利于使用单位降低成本，方便维护，综合性能最好。在选择材料的同时对单个材料的逐个检验也非常必要，由于在磁体制造过程中不可避免的造成磁体材料个体差异，在组合成磁路的时候会造成磁场均匀性的降低，因此必须首先对磁体进行检验，保证使用磁体的磁性能一致性，才能最终保证磁场符合设计要求。
表1 实用稀土永磁体材料的性能比较

靶制造关键之二在于各部件加工保证精度一定要高。作为磁控溅射镀膜设备的关键组件，磁路的均匀性很大程度上要取决于外部部件加工的精度，由于磁场是一个梯度变化很大的场，在长方向上变化1mm就可能造成50Gs甚至更高的波动，因此加工件必须保证精度，最后组合起来的尺寸偏差尽可能的小，这点在设计时必须予以充分的考虑。
总结：磁控溅射镀膜设备的关键部件磁控靶的设计涉及了多个方面的内容，其中电磁场的设计最为关键。目前采用最多的是有限元法与蒙特卡罗方法，通过对电磁场分布与溅射过程的模拟，确定最终的设计方案。在靶加工制造方面，磁体的选择十分重要，目前最佳的选择为Sm2Co17材料，同时在制造过程中，必须保证加工部件尺寸的精度。我国在磁控溅射靶设计与制造方面与国外先进水平还有较大差距，希望能够引起国内相关研究机构与生产厂家的重视，加大本项目的研发推广，在本领域赶超国外先进水平


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