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| 磁控濺射鐵磁性靶材的技巧 |
| 發(fā)布時(shí)間：2018-09-17 瀏覽：3899 次 |
由于磁控濺射鐵磁性靶材的難點(diǎn)是靶材表面的磁場(chǎng)達不到正常磁控濺射時(shí)要求的磁場(chǎng)強度，因此解決的思路是增加鐵磁性靶材表面剩磁的強度，以達到正常濺射工作對靶材表面磁場(chǎng)大小的要求。 實(shí)現的途徑主要有以下幾種： a、靶材設計與改進(jìn) b、增強磁控濺射陰極的磁場(chǎng) c、降低靶材的導磁率 d、設計新的磁控濺射系統 e、設計新的濺射陰極裝置 f、靶材與濺射陰極裝置的綜合設計 (1) 靶材的設計改進(jìn) 將鐵磁性靶材的厚度減薄是解決磁控濺射鐵磁材料靶材的最常見(jiàn)方法。 如果鐵磁性靶材足夠薄，則其不能完全屏蔽磁場(chǎng)，一部分磁通將靶材飽和，其余的磁通將從靶材表面通過(guò)，達到磁控濺射的要求。 這種方法的最大缺點(diǎn)是靶材的使用壽命過(guò)短，同時(shí)靶材的利用率很低。而且薄片靶材的另一個(gè)缺點(diǎn)是濺射工作時(shí)，靶材的熱變形嚴重，往往造成濺射很不均勻。 一種對鐵磁性靶材進(jìn)行的改進(jìn)設計是在靶材表面刻槽，槽的位置在濺射環(huán)兩側 (見(jiàn)圖1) 。這種設計的靶材適用于具有一般導磁率的鐵磁性靶材，例如鎳。但對具有高導磁率的靶材料效果較差。 雖然靶材的這種改進(jìn)增加了靶材的成本，但這種措施無(wú)需對濺射陰極進(jìn)行改動(dòng)，能在一定程度上滿(mǎn)足濺射鐵磁性材料的需求。
圖1 經(jīng)過(guò)刻槽改進(jìn)的靶材 圖2給出了一種間隙型刻槽改進(jìn)靶材。該靶所用的陰極是平面磁控濺射型的。靶磁場(chǎng)由置于靶的銅背板下方的水冷卻的永磁體產(chǎn)生。 在兩個(gè)磁極之間的中心位置處和不帶靶材的陰極表面上，其磁場(chǎng)強度為0.145 T。靶材可以為鐵、鎳等導磁材料，將靶材粘在銅背板上以后，用專(zhuān)用刀具在靶材上沿其寬度方向切出所要求的間隙。 其原理是在靶材表面上切出許多截斷磁路的間隙，使得在靶材尚未達到磁飽和的條件下，通過(guò)控制間隙寬度和間隙的間隔，即可在磁性材料靶表面上產(chǎn)生均勻的，較大的漏泄磁場(chǎng)。從而使靶材表面上能夠形成正交磁場(chǎng)，而達到磁性材料的高速磁控濺射成膜的目的，這種磁系統可以允許磁性靶材的厚度超過(guò)20 mm。
圖2 間隙型靶和陰極示意圖 (2) 增強磁控濺射陰極的磁場(chǎng) 增強濺射陰極磁場(chǎng)的另一種方法是采用高強磁體，通過(guò)強磁場(chǎng)飽和更厚的鐵磁性靶材得到靶材表面需要的濺射磁場(chǎng)強度。但是高強磁鐵的價(jià)格昂貴，同時(shí)采用這種方法增加靶材厚度的效果有限，而且由于強永磁體大小不能改變，這種方法會(huì )引起嚴重的等離子體磁聚現象。等離子體磁聚現象的產(chǎn)生使濺射區靶材很快消耗完而不能繼續濺射，從而造成靶材利用率很低。 采用電磁線(xiàn)圈來(lái)產(chǎn)生高強磁場(chǎng)，通過(guò)調節電磁線(xiàn)圈的電流控制磁場(chǎng)大小來(lái)抑制等離子體磁聚。但這種方法的磁場(chǎng)裝置復雜而且成本高，同時(shí)電磁線(xiàn)圈還受到濺射陰極尺寸的限制，從而使電磁場(chǎng)的強度受到限制，導致鐵磁性靶材的厚度增加有限。 還可以采用永磁體與電磁體復合的方法解決等離子體磁聚的問(wèn)題，在不同的濺射過(guò)程中調節電磁線(xiàn)圈，以產(chǎn)生大小合適的電磁場(chǎng)。這種方法的缺點(diǎn)是電磁源裝置復雜，電磁線(xiàn)圈的使用也增加了設備成本和使用成本。 (3) 降低靶材的導磁率 由于鐵磁材料均存在居里點(diǎn)，如果把鐵磁材料加熱到其居里溫度之上，鐵磁材料轉變?yōu)轫槾挪牧?，其磁屏蔽效應將消失，從而磁控濺射鐵磁材料將得到解決。這種方法的缺點(diǎn)是需要一個(gè)加熱裝置來(lái)維持鐵磁靶材溫度在其居里點(diǎn)之上，并要對鐵磁靶的溫度實(shí)時(shí)監測。另外，大多數鐵磁材料的居里溫度非常高，在400℃~1 100℃，如果把靶材加熱至該溫區可能導致無(wú)法在基片上成膜，或損壞其他真空部件。另一個(gè)不利之處是大多數高性能永磁體一旦溫度超過(guò)150℃~200℃將產(chǎn)生退磁現象，而無(wú)法恢復原有磁性。 (4) 磁控濺射系統的改進(jìn)設計 a、對靶磁控濺射系統 采用對靶磁控濺射系統，可以獲得高沉積速率的磁性膜，且不必大幅度升高基片溫度。對靶磁控濺射系統可以用來(lái)制備磁性Fe、Ni及其磁性合金膜。 對靶磁控濺射系統其原理如圖3所示。兩只靶相對安置，所加磁場(chǎng)和靶表面垂直，且磁場(chǎng)和電場(chǎng)平行。陽(yáng)極放置在與靶面垂直部位，和磁場(chǎng)一起，起到約束等離子體的作用。二次電子飛出靶面后，被垂直靶的陰極位降區的電場(chǎng)加速。電子在向陽(yáng)極運動(dòng)過(guò)程中受磁場(chǎng)作用，作洛侖茲運動(dòng)。但是由于兩靶上加有較高的負偏壓，部分電子幾乎沿直線(xiàn)運動(dòng)，到對面靶的陰極位降區被減速，然后又被向相反方向加速運動(dòng)。這樣二次電子除被磁場(chǎng)約束外，還受很強的靜電反射作用，二次電子被有效的約束封閉在兩個(gè)靶極之間，形成柱狀等離子體。避免了高能電子對基體的轟擊，使基體溫升很小。電子被兩個(gè)電極來(lái)回反射，大大加長(cháng)了電子運動(dòng)的路程，增加了和氬氣的碰撞電離幾率，從而大大提高了兩靶間氣體的電離化程度，增加了濺射所需氬離子的密度，因而提高了沉積速率。
圖3 對靶磁控濺射原理 1-N極;2-對靶陰極;3-陰極暗區;4-等離子體區;5-基體偏壓電源;6-基體;7-陽(yáng)極 (真空室) ;8-靶電源;9-S極 圖4為對靶磁控濺射裝置示意圖。由圖可見(jiàn)，由靶兩側的磁鐵及輔助電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生的通向磁場(chǎng)構成對靶磁控濺射陰極的磁路，兩塊靶材對向平行放置，靶材表面與磁力線(xiàn)垂直。濺射時(shí)，兩側靶材同時(shí)施加負電壓，產(chǎn)生的放電等離子體被局限在兩靶材之間，兩側靶材被同時(shí)濺射，基片被垂直放置于一對陰極靶的側面。由于靶材與磁場(chǎng)垂直，靶材的厚度對靶材表面磁場(chǎng)的大小及分布影響較小，因此對靶磁控濺射技術(shù)對靶材的厚度無(wú)特殊要求，可以超過(guò)10 mm。除此之外，對靶磁控濺射的靶材濺射溝道平坦，靶材利用率高，可大于70%。
圖4 對靶磁控濺射裝置示意圖 1-輔助電磁線(xiàn)圈;2-陽(yáng)極;3-對靶陰極;4-靶兩側磁鐵;5-基片;6-靶電源;7-放電等離子體;8-靶材 對靶磁控濺射系統的缺點(diǎn)是： 1) 由于采用兩個(gè)對向靶材同時(shí)濺射，陰極結構復雜、加工成本高、安裝難度大。 2) 與平面磁控濺射不同，對靶磁控濺射系統因其磁路開(kāi)放，在周?chē)霈F漏磁現象，對周?chē)O備產(chǎn)生磁干擾。 3) 因采用旁軸濺射模式，在濺射過(guò)程中，等離子體對基片的轟擊較弱，影響薄膜的附著(zhù)力。 |
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