本文從圓平面靶磁控濺射的原理出發(fā)，針對(duì)圓形平面靶面積小于基片面積的特點(diǎn)進(jìn)行分析，建立膜厚分布的數(shù)學(xué)模型，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算，目的在于探尋平面靶材面積小于基片面積時(shí)影響膜厚均勻性的因素。模擬計(jì)算的結(jié)果表明：基片偏心自轉(zhuǎn)時(shí)，靶基距和偏心距對(duì)膜厚分布均有影響。偏心距一定時(shí)，隨著靶基距的增大，薄膜厚度變小，膜厚均勻性有提高的趨勢(shì)；靶基距一定時(shí)，隨著偏心距的增大，膜厚均勻性先變好后變差。當(dāng)基片自轉(zhuǎn)復(fù)合公轉(zhuǎn)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速比的增大，膜厚均勻性逐漸變好，轉(zhuǎn)速比增大到一定程度后，它對(duì)膜厚均勻性的影響逐漸變小。圓形平面靶的刻蝕環(huán)范圍的變化對(duì)薄膜的均勻性有一定的影響。這些理論為小圓平面磁控濺射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

　　為了在大面積基片上獲得均勻性良好的膜層，人們做了很多研究。理論研究和實(shí)驗(yàn)證明，使用自轉(zhuǎn)基片與濺射靶偏心布置可以有效增大膜層面積，采用基片自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)形式有利于膜厚均勻性的提高。本文將針對(duì)這一情況，研究小圓平面靶在單獨(dú)自轉(zhuǎn)及自轉(zhuǎn)復(fù)合公轉(zhuǎn)時(shí)薄膜均勻性的變化規(guī)律，目的是為在較大基片上獲得均勻的膜層提供理論基礎(chǔ)。

1、膜厚分布模型

1.1、膜厚分布的物理模型

　　圖1 為本文所研究的圓形平面磁控濺射系統(tǒng)示意圖。如圖所示，靶中心軸線與基片自轉(zhuǎn)軸線的偏心距為e，垂直距離為H，靶上面元dA 距其軸線距離為r，基片上面元dB 距其軸線距離為R，dB 與dA 的中心距離為L(zhǎng)，濺射角為β，面元dB 的法線與dA 的中心連線夾角為φ，面元dA的極角為θ。

圖1 平面磁控濺射示意圖

　　為了計(jì)算濺射形成薄膜厚度的均勻性，對(duì)本論文所研究的平面磁控濺射系統(tǒng)可以作出如下假定^[1] ：

　　(1) 平面磁控靶磁極間區(qū)域?yàn)閳A環(huán)狀，該區(qū)域內(nèi)橫向磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，捕集于該區(qū)域內(nèi)的二次電子使工作氣體大量電離, 離子濺射主要發(fā)生于此。特假定：濺射出的粒子全部來自圓柱磁極到環(huán)狀磁極圓環(huán)形區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)靶子受到均勻?yàn)R蝕，忽略圓環(huán)邊緣電磁場(chǎng)畸變?cè)斐傻挠绊�。根�?jù)磁控濺射靶的刻蝕現(xiàn)象與磁控磁場(chǎng)的關(guān)系^[3] ，假設(shè)磁控濺射系統(tǒng)的濺射率與磁控磁場(chǎng)在靶表面的水平分量成正比。

　　(2) 入射離子集中在靠近靶面區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)被電場(chǎng)加速使其能量提高，而導(dǎo)體靶表面電場(chǎng)處處垂直于導(dǎo)體表面，因而離子是垂直入射靶材表面的。故假定離子入射角為零。

　　(3) 認(rèn)為被濺射的薄膜原子濺射到基片上后，無擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，它們立刻停在原地不動(dòng)，直接參與成膜，認(rèn)為被濺射出來的薄膜原子離開靶表面的角度分布為簡(jiǎn)單的余弦分布，即用cos(β)表示，其中β 為出射角。

　　(4) 由于濺射過程必須充入工作氣體，出粒子由靶至基片的空間飛行中被氣體原子散射的現(xiàn)象不能忽略，但一般工作氣壓為零點(diǎn)幾帕數(shù)量級(jí)，較為稀薄。故假定出射粒子由于空間飛行而被散射，其沉積在基片上的幾率反比于路徑長(zhǎng)度L。

　　(5) 基片為圓形，圓形平面靶面與基片表面平行但中心不重合，偏心距為e。由圖可知β=φ。這幾條假定不會(huì)使推導(dǎo)結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差。

3、結(jié)論

　　基片自轉(zhuǎn)時(shí)，在偏心距一定的情況下，隨著靶基距的增大，薄膜厚度變小，膜厚均勻性有提高的趨勢(shì)；靶基距一定時(shí)，隨著偏心距的增大，膜厚均勻性先變好后變差。當(dāng)基片自轉(zhuǎn)復(fù)合公轉(zhuǎn)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速比的增大，膜厚均勻性逐漸變好，轉(zhuǎn)速比增大到一定程度后，它對(duì)膜厚均勻性的影響逐漸變小。在一定情況時(shí)，圓形平面靶的刻蝕環(huán)范圍的變化對(duì)薄膜均勻性有一定的影響。相信這些理論將為小靶大基片磁控濺射系統(tǒng)的研究及應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 孟憲權(quán)，任大志, 等. 環(huán)形磁控濺射成膜生長(zhǎng)速率及厚度均勻性研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1995，41(3)：351- 356.
　　[2] 黃士勇，曲風(fēng)欽，田曄，董維義. 用Monte Carlo 法模擬大型磁控濺射器的膜厚分布[J].真空電子技術(shù)，1999(5)：38- 42.
　　[3] Tatsuo F, Fumihiko S, Masahiko N. Observations on the Operation of a Planar Magnetron Sputtering System by Target Erosion Patterns [J].Thin Films, 1987, 151 (3):373- 381.
　　[4] 王小輝，衛(wèi)紅,等. 大面積戶外照明光學(xué)薄膜膜厚均勻性研究[J].光學(xué)儀器，2006，28(4)：172- 175.
　　[5] 王曉冬，巴德純，張世偉，張以忱.真空技術(shù)，冶金工業(yè)出版社，2006,9.