文档磁控溅射

磁控溅射杨洋（湖北大学物理学与电子技术学院，武汉201210）摘要磁控溅射是为了在低气压下进行高速溅射，必须有效地提高气体的离化率。通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率的方法。在各种溅射镀膜技术中，磁控溅射技术是最重要的技术之一，它在等离子体产生、维持以及效率方面与其他技术相比都有了很大的改进，较易获得高的沉积速率，致密性与结合力更好的薄膜，因此在机械、光学和电子行业得到了广泛的应用。近些年来，关于磁控放电的理论得到广泛的研究，主要包括磁场结构的分析以及物理机制讨论。在磁场放电区域，电子被限制在磁力线平行于阴极表面的位置，从而产生出高电离化的背景气体。在这个区域产生的离子被加速运动的过程中，又会受到电子和离子的碰撞同时产生出二次电子来维持放电。在磁控溅射系统中，由于特殊的磁场结构，靶材表面的磁场分布以及离子分布是不均匀的，从而导致刻蚀的不均匀性，这对于靶的利用率是一个极大的限制，因此针对于靶面粒子分布以及刻蚀形貌的研究具有很重要的指导意义，而最有效的方法就是通过计算机建立模型仿真。关键词：磁控溅射，电磁场，靶1、工作原理磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。2、计算方法首先使用有限元分析方法求解磁控溅射电磁场的分布，然后结合受力分析，仿真了单电子运动轨迹并较好地呈现螺旋形状，同时模拟出多粒子束的靶面位置分布以及刻蚀形貌图，最后把计算结果与实验中靶面刻蚀形貌进行对比，所求结果与实验测量数据吻合。2.1、电磁场分布的计算平面磁控溅射系统结构如图1所示，图中靶基距为30mm，阴极加-300V偏压，阳极接地，选取铝为靶材，直径为100mm，溅射气体选择氩气。为模拟靶材上方X与Y方向的磁场分布以及Y方向的电场分布，利用有限元分析软件ANSYS针对上述模型进行求解。磁场与电场分别由公式（1）和（2）表示进行ANSYS求解的时候，参数取值：相对磁导率μ=3，矫顽力Hcb=20000，磁扼的磁导率μ0=1000。计算的磁场分布结果如图3所示。图4和5分别表示Y和X轴的磁场分布。图3ANSYS仿真的磁场分布图图4Y轴磁场分布图5X轴磁场分布磁场在圆形靶表面上有两个特殊分布的位置，如图4和5所示，靶表面上半径等于30mm的地方By达到最小值，Bx达到最大值。在这种电磁场条件下，带点粒子的运动轨迹主要是两种运动的合成，一个是粒子在垂直于磁场B的平面上做圆周运动；二是在电场E的方向做加速运动。合成的运动对电子产生的结果是在半径大约20~30mm的圆环内，单电子的运动轨迹为盘旋着向上运动的螺旋结构。如图6所示。<图6单电子运动轨迹在求解域内任取N个电子，经过dt时间后的分布图如图8所示，从图中可以看出，电子磁场强度大的区域分布最为密集，由于电场是竖直向下的，电子受到的电场力竖直向上，所以粒子呈现向上运动趋势；同时，被高能离化的正离子也在靶面X=±30mm位置附近分布最多，而带正电的离子受到的电场力向下，离子分布如图7所示，表现为向下运动趋势。(图7)（图8）图7磁控溅射靶面离子分布图图8磁控溅射靶面电子分布图为了方便统计靶面某个X位置上的电子个数分布，将图8中的X坐标进行划分，计算每个dX内的点数，仿真得到的结果如图9所示

图9电子分布统计图图10靶面刻蚀形貌模拟图图11实验测量的刻蚀形貌通过模型计算出靶面刻蚀的形貌曲线，如图10所示，从图中可以看出靶材的刻蚀形貌在X坐标上20~30mm以及-30~-20mm的位置呈现“U”形，刻蚀形貌关于Y轴对称，这一结果与图9中的粒子分布图形成良好的对应。我们把实验中使用了一段时间的铝靶照片与其进行比较，实验中的靶面形貌如图11所示。从图中可以看出，在靶面半径为20~30mm的位置，分布一个环形的刻蚀槽，这个位置恰恰是前面求得的粒子分布最密集的地方，同样与模拟得到的靶面形貌图结果保持一致，从而验证了理论模型的正确性。模拟出来的结果与实际存在一定的误差，主要原因是没有考虑等离子体的特殊性质以及靶面的动态刻蚀。4、结论电磁场分布及其对各种带电粒子的约束情况对磁控溅射过程有着决定性的影响。本文利用有限元软件ANSYS和数值分析软件MATLAB仿真了磁控溅射中电磁场的分布，结合受力分析和运动理论得到了粒子在空间区域内的运动以及它们在靶面附近的位置分布特点。计算结果表明单电子的运动轨迹呈现螺旋结构，与理论分析一致，同时多粒子分布以及模