磁控濺射鐵磁性靶材的主要方法

2018-05-01 真空技術(shù)網(wǎng) 真空技術(shù)網(wǎng)整理

  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(dá)不到正常磁控濺射時(shí)要求的磁場(chǎng)強(qiáng)度,因此解決的思路是增加鐵磁性靶材表面剩磁的強(qiáng)度,以達(dá)到正常濺射工作對(duì)靶材表面磁場(chǎng)大小的要求。實(shí)現(xiàn)的途徑主要有以下幾種:

  a、靶材設(shè)計(jì)與改進(jìn)

  b、增強(qiáng)磁控濺射陰極的磁場(chǎng)

  c、降低靶材的導(dǎo)磁率

  d、設(shè)計(jì)新的磁控濺射系統(tǒng)

  e、設(shè)計(jì)新的濺射陰極裝置

  f、靶材與濺射陰極裝置的綜合設(shè)計(jì)

  (1) 靶材的設(shè)計(jì)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(dá)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(yán)重,往往造成濺射很不均勻。

  一種對(duì)鐵磁性靶材進(jìn)行的改進(jìn)設(shè)計(jì)是在靶材表面刻槽,槽的位置在濺射環(huán)兩側(cè) (見(jiàn)圖1) 。這種設(shè)計(jì)的靶材適用于具有一般導(dǎo)磁率的鐵磁性靶材,例如鎳。但對(duì)具有高導(dǎo)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(duì)濺射陰極進(jìn)行改動(dòng),能在一定程度上滿足濺射鐵磁性材料的需求。

磁控濺射鐵磁性靶材的主要方法

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(qiáng)度為0.145 T。靶材可以為鐵、鎳等導(dǎo)磁材料,將靶材粘在銅背板上以后,用專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?cái)啻怕返拈g隙,使得在靶材尚未達(dá)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(dá)到磁性材料的高速磁控濺射成膜的目的,這種磁系統(tǒng)可以允許磁性靶材的厚度超過(guò)20 mm。

磁控濺射鐵磁性靶材的主要方法

圖2   間隙型靶和陰極示意圖

  (2) 增強(qiáng)磁控濺射陰極的磁場(chǎng)

  增強(qiáng)濺射陰極磁場(chǎng)的另一種方法是采用高強(qiáng)磁體,通過(guò)強(qiáng)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(qiáng)度。但是高強(qiáng)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(qiáng)永磁體大小不能改變,這種方法會(huì)引起嚴(yán)重的等離子體磁聚現(xiàn)象。等離子體磁聚現(xiàn)象的產(chǎn)生使濺射區(qū)靶材很快消耗完而不能繼續(xù)濺射,從而造成靶材利用率很低。

  采用電磁線圈來(lái)產(chǎn)生高強(qiáng)磁場(chǎng),通過(guò)調(diào)節(jié)電磁線圈的電流控制磁場(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(fù)雜而且成本高,同時(shí)電磁線圈還受到濺射陰極尺寸的限制,從而使電磁場(chǎng)的強(qiáng)度受到限制,導(dǎo)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(fù)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(diào)節(jié)電磁線圈,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(fù)雜,電磁線圈的使用也增加了設(shè)備成本和使用成本。

  (3) 降低靶材的導(dǎo)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(zhuǎn)變?yōu)轫槾挪牧,其磁屏蔽效?yīng)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(duì)鐵磁靶的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。另外,大多數(shù)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(qū)可能導(dǎo)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(shù)高性能永磁體一旦溫度超過(guò)150℃~200℃將產(chǎn)生退磁現(xiàn)象,而無(wú)法恢復(fù)原有磁性。

  (4) 磁控濺射系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

  a、對(duì)靶磁控濺射系統(tǒng)

  采用對(duì)靶磁控濺射系統(tǒng),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(duì)靶磁控濺射系統(tǒng)可以用來(lái)制備磁性Fe、Ni及其磁性合金膜。

  對(duì)靶磁控濺射系統(tǒng)其原理如圖3所示。兩只靶相對(duì)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(qū)的電場(chǎng)加速。電子在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受磁場(chǎng)作用,作洛侖茲運(yùn)動(dòng)。但是由于兩靶上加有較高的負(fù)偏壓,部分電子幾乎沿直線運(yùn)動(dòng),到對(duì)面靶的陰極位降區(qū)被減速,然后又被向相反方向加速運(yùn)動(dòng)。這樣二次電子除被磁場(chǎng)約束外,還受很強(qiáng)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(duì)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(zhǎng)了電子運(yùn)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。

磁控濺射鐵磁性靶材的主要方法

圖3   對(duì)靶磁控濺射原理

1-N極;2-對(duì)靶陰極;3-陰極暗區(qū);4-等離子體區(qū);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(duì)靶磁控濺射裝置示意圖。由圖可見(jiàn),由靶兩側(cè)的磁鐵及輔助電磁線圈產(chǎn)生的通向磁場(chǎng)構(gòu)成對(duì)靶磁控濺射陰極的磁路,兩塊靶材對(duì)向平行放置,靶材表面與磁力線垂直。濺射時(shí),兩側(cè)靶材同時(shí)施加負(fù)電壓,產(chǎn)生的放電等離子體被局限在兩靶材之間,兩側(cè)靶材被同時(shí)濺射,基片被垂直放置于一對(duì)陰極靶的側(cè)面。由于靶材與磁場(chǎng)垂直,靶材的厚度對(duì)靶材表面磁場(chǎng)的大小及分布影響較小,因此對(duì)靶磁控濺射技術(shù)對(duì)靶材的厚度無(wú)特殊要求,可以超過(guò)10 mm。除此之外,對(duì)靶磁控濺射的靶材濺射溝道平坦,靶材利用率高,可大于70%。

磁控濺射鐵磁性靶材的主要方法

圖4   對(duì)靶磁控濺射裝置示意圖

1-輔助電磁線圈;2-陽(yáng)極;3-對(duì)靶陰極;4-靶兩側(cè)磁鐵;5-基片;6-靶電源;7-放電等離子體;8-靶材

  對(duì)靶磁控濺射系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:

  1) 由于采用兩個(gè)對(duì)向靶材同時(shí)濺射,陰極結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工成本高、安裝難度大。

  2) 與平面磁控濺射不同,對(duì)靶磁控濺射系統(tǒng)因其磁路開(kāi)放,在周圍出現(xiàn)漏磁現(xiàn)象,對(duì)周圍設(shè)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(duì)基片的轟擊較弱,影響薄膜的附著力。