磁控溅射靶源设计及溅射工艺研究

1、第27卷第1期陕西师范大学学报(自然科学版V o l.27N o.11999年3月Jou rnal of Shaanx i N o rm al U n iversity(N atu ral Science Editi onM ar.1999磁控溅射靶源设计及溅射工艺研究张建民1,王立2,梁昌慧2(1陕西师范大学物理学系,陕西西安710062;2咸阳师范专科学校物理学系,陕西咸阳712000摘要:设计制作了方便实用的圆形直流平面磁控溅射靶源;用CT5型高斯计测量铝靶面上的磁场分布,给出靶电压和靶电流随溅射氩气压(3.0×10-19.0×10-1Pa的变化曲线和3种不同气压(1

2、.0,0.6,0.2Pa下的伏安特性曲线;在玻璃基体上制备了高纯铝、铜和钛膜.结果表明,该靶源可得到最佳磁场分布,且结构简单、更换靶材方便、溅射电压和气压低、成膜速度快、基体温升低.关键词:磁控溅射;靶源;设计制作溅射镀膜是物理气相沉积(PVD的重要方法之一,它是在真空室中利用荷能离子轰击靶表面,使被轰击出的靶材粒子沉积在基片上的成膜技术,包括二极溅射1、三极(或四极溅射2,3、磁控溅射4,5、对向靶溅射6等.磁控溅射具有基片温升低和成膜快两大特点,因而在机械、电子、能源、信息等领域得到广泛应用.1磁控溅射的基本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

3、运动轨迹,从而提高电子对工作气体的电离几率和有效利用电子的能量.因此,在形成高密度等离子体的异常辉光放电中,正离子对靶材轰击引起的靶材溅射更为有效.受正交电磁场束缚的电子,只能在能量将要耗尽时才能沉积在基片上,使磁控溅射具有高速、低温两大特点.电子在电场E作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞.若电子具有足够的能量(约为30eV时,则可电离出A r+和另一个电子,电子飞向基片,A r+在电场E作用下加速飞向阴极(溅射靶,并以高能量轰击靶表面,使靶材发生溅射.在溅射粒子中,中性靶原子(或分子沉积在基片上形成薄膜;二次电子e1在加速飞向基片时受磁场B的洛仑兹力作用,以摆线和螺旋线状的复合形式在

4、靶表面作圆周运动.该电子的运动路径不仅很长,而且被电磁场束缚在靠近靶表面的等离子体区域内,在该区中电离出大量的A r+离子用来轰击靶材,从而具有磁控溅射沉积速率高的特点.随着碰撞次数的增加,电子e1的能量逐渐降低并远离靶面.低能电子e1将按图1所示那样沿着磁力线来回振荡,待电子能量将耗尽时,在电场E的作用下最终沉积在基片上.由于该电子能量很低,传给基片的能量很小,致使基片的温升较低.在磁极轴线处,由于电场与磁场平行,电子e2将直接飞向基片.但在磁控溅射装置中,磁极轴线处离子密收稿日期:1998206203作者简介:张建民,男,37岁,讲师度很低,所以e 2类电子很少,对基片温升作用不大.图1磁

5、控溅射工作原理2磁控溅射靶源的设计制作磁控溅射镀膜机最重要的部件是阴极靶,为整机的“心脏”.对它的设计一方面要考虑靶面的磁场分布和靶材的利用率;另一方面要考虑导电、导热、冷却、密封和绝缘.我们设计和制作的靶如图2所示,靶垫起导电导热作用,使整个靶面能均匀冷却,防止高能离子击穿靶进而轰击冷却水套引起漏水事故,特别是贵金属薄靶.铝靶和靶垫的直径为118mm ,厚度为5mm ;磁铁由环状铁氧体永久磁铁和位于中心的圆柱体铁芯构成,它决定着靶面磁场的分布和图2靶源结构溅射环的宽窄(靶材的利用率.环形磁铁的内外径分别为78mm ,118mm ;圆柱铁芯直径为28mm ,二者的高均为55mm ;铜制环状冷却

6、水套的壁厚为5 mm ,过直径对称地焊接两个外径12mm ,壁厚3mm 的铜管分别作为进出水管.组装时,使水套、环状磁铁及铁芯紧密配合,并使上表面在同一平面内,以便达到最佳冷却效果;轭铁由直径118mm ,厚10mm 的铁板构成,下部的磁场短路,以增强靶表面磁场强度及均匀性.3溅射工艺研究311靶面水平磁场的分布靶面水平磁场的分布是构成圆形平面磁控溅射靶源的关键,一般要求最大水平磁场为200400Gs ,最佳值为300Gs .我们用CT 5型直流高斯计测量了靶面水平磁场的分布,其结果如图3所示,磁场强度310Gs ,为最佳值.靶电压、靶电流随氩气压的变化关系如图4,图5所示.图3靶面水平磁场的

7、分布图4靶电压与氩气压的关系图5靶电流与氩气压的关系312氩气压强对放电电压及靶电流的影响调整靶基距离为50mm ,将真空室(直径450mm ,高500mm 抽至2.6×10-3Pa ,充氩气(纯度99198%到2.6×10-1Pa ,加靶压到-500V (靶流220mA 后增加氩压强(用自动压强73第1期张建民等:磁控溅射靶源设计及溅射工艺研究控制仪测量氩气压,测得靶电压、靶电流随氩气压的变化关系分别如图4,图5所示.由图可以看出,随氩气压强的增加,靶电压减小,靶电流增加.这是由于氩气增加,气体放图6不同氩气压下阴极靶的伏安特性曲线a 1p =1.0Pa ;b 1p =0

8、.6Pa ;c 1p =0.2Pa电等离子体的密度增加,正负离子增加,等效电阻减小,故靶电压减小,靶电流增加.313不同氩气压下的放电电流与电压关系调整靶基距离为50mm ,清洗烘干玻璃基片并放在基体架上(铝制,真空室抽至2.6×10-3Pa 后,充氩气分别为0.2,0.6,1.0Pa ,测得放电流随阴极靶电压的变化曲线如图6所示.对一定气压,放电电流随靶电压的增加而增加;对一定的靶电压,气压越高,放电电流越大;对一定的放电电流,气压越高,靶电压越低.参考文献:1陈宝清.离子镀膜及溅射技术M .北京:国防工业出版社,1990.2张建民.直流三极偏压溅射沉积碳化钛膜J .真空,1994

9、,(1:2931.3张建民.氮分压对三极反应溅射氮化钛膜的影响J .陕西师范大学学报(自然科学版,1995,23(2:121122.4田民波,刘德令.薄膜科学与技术手册S .北京:机械工业出版社,1991.5T ho rm ton J A .M agnetron spu ttering :basic physics and app licati on to cylindrical m agnetron s J .J V acSci T echno l ,1978,15(2:171177.6W indow B .R ecen t advances in spu tter depo siti on

10、 J .Su rface and Coating T echno logy ,1995,71:9397.责任编辑强志军M agnetron sputter i ng target source and sputter i ng procedureZhang J ianm in 1,W ang L i 2,L iang Changhu i2(1D ep artm en t of Physics ,Shaanx i N o rm al U n iversity ,710062X i an ,PRC ;2D ep artm en t of Physics ,X ianyang T eachers C

11、o llege ,712000X ianyang ,Shaanx i ,PRC Abstract :A conven ien t and u sefu l target sou rce of circu lar p lane DC m agnetron sp u ttering is designed and m ade ;T he m agnetic field distribu ti on on A l target su rface is m easu red w ith CT 5Gau ss 2m eter ;T he vari ou s cu rves are given of th

12、e target vo ltage and electric cu rren tw ith sp u tterign gas (A r p ressu re (3.0×10-19×10-1Pa and the I 2V characteristic cu rvesat th ree differen t p ressu res (1.0,0.6,0.2Pa ;the A l ,Cu and T i th in fil m s w ith h igher p u rity are depo sited on glass sub strate successfu lly ;It is show n that th is target sou rce has fo llow ing p rop erties :Su itab le m agnetic field distribu ti on ,si m p le structu re conven ien t change of tar