王雪，程磊，徐鋒，賈昆鵬，左敦穩(wěn)

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

磁控濺射技術(shù)由于其高沉積速率、低溫沉積等特點被廣泛應(yīng)用于薄膜制備中[1-2]，在微電子、航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。其中，非平衡磁控濺射靶表面磁場不完全閉合，等離子體區(qū)域擴(kuò)展到基體附近，有利于薄膜質(zhì)量的改善[4]。然而，由于電子漂移范圍受靶材表面水平磁場所控制，磁場分布的不均勻會導(dǎo)致靶材刻蝕不均勻，形成刻蝕跑道形貌[5]?？涛g跑道的產(chǎn)生不僅會降低靶材利用率，還會影響靶材濺射速率以及濺射過程的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響薄膜沉積均勻性[6]。因此，制備高質(zhì)量、成分均勻的薄膜時，針對靶材表面磁場分布的調(diào)控設(shè)計十分重要。

采用實物靶試驗的方法來改進(jìn)靶性能存在周期長、調(diào)控范圍有限、成本高等問題，隨著有限元仿真技術(shù)發(fā)展，實物研究逐漸被計算機(jī)模擬所替代。先前有關(guān)磁場分布模擬研究大多采用二維簡化物理模型[7-9]，得出二維結(jié)構(gòu)參數(shù)對磁場變化的作用規(guī)律，但是其磁感應(yīng)強(qiáng)度模擬數(shù)值與實際情況存在偏離，其僅對單排磁鐵進(jìn)行模擬，忽略了實際磁路結(jié)構(gòu)中多排磁鐵產(chǎn)生磁場的相互影響。因此，為更準(zhǔn)確地模擬靶材表面水平磁場分布情況，本文基于Comsol軟件，建立濺射靶磁路結(jié)構(gòu)三維模型，模擬靶材表面磁場分布情況，研究永磁體結(jié)構(gòu)尺寸、磁軛尺寸對靶材表面磁場分布與水平磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，從而確定合適的矩形磁控濺射靶磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 矩形磁控濺射靶的三維磁場模擬

本文采用的矩形磁控濺射靶截面結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由內(nèi)磁鐵、磁軛、外磁鐵、靶座、靶材組成，其中靶材(石墨)、靶座(銅)均為非導(dǎo)磁材料，相對磁導(dǎo)率接近1，可忽略其對磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。經(jīng)仿真計算，矩形濺射靶長邊方向兩端磁場對中部區(qū)域磁場分布影響不大，為減少計算量，對兩端環(huán)型分布磁鐵予以忽略，簡化后的三維物理模型如圖2所示。

圖1 矩形濺射靶截面結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 三維物理模型

基于Comsol的磁場模擬包括以下幾個步驟：定義物理場、磁場、無電流、穩(wěn)態(tài)；建立三維模型，為方便網(wǎng)格劃分、優(yōu)化計算結(jié)果，在永磁體上方增加小空氣域，各部件材料和參數(shù)見表1；設(shè)定邊界條件，內(nèi)邊界設(shè)為磁通量守恒，外邊界設(shè)為磁絕緣；劃分網(wǎng)格，按自定義網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖3所示；求解計算，后處理。后處理得到矩形靶中截面處的磁力線分布圖和靶材表面磁通密度水平分量云圖，如圖4、圖5所示。圖中模型均無磁軛，磁鐵高度為10mm，外磁鐵直徑為10mm，內(nèi)磁鐵直徑為16mm。矩形濺射靶簡化模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖6所示。

表1 矩形靶模型各部件的材料與參數(shù)

圖3 網(wǎng)格劃分后的三維模型

圖4 磁力線分布圖

圖5 靶材表面磁通密度水平分量云圖

圖6 矩形濺射靶的簡化物理模型

圖6中：D1為內(nèi)磁鐵直徑;D2為外磁鐵直徑;H為磁鐵高度；h1為外磁鐵與靶材表面間距;h2為磁軛浸入深度;h3為磁軛高度。

2 磁場模擬結(jié)果分析與討論

靶材表面水平磁場分布與靶材利用率、薄膜沉積過程密切相關(guān)，因此，通過仿真模擬實現(xiàn)磁場分布的調(diào)控設(shè)計具有積極意義。以下通過調(diào)整模型的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)來改變磁場分布，從而研究磁路結(jié)構(gòu)對磁場變化的規(guī)律，隨后確定磁控靶主要磁路的結(jié)構(gòu)參數(shù)。文中所用模型外磁鐵安裝位置相對內(nèi)磁鐵均高出2mm，外磁鐵與靶材上表面距離h1均為10mm，h3-h2均為4mm。

2.1 磁鐵高度對磁場分布的影響

首先固定內(nèi)磁鐵直徑D1為16mm，外磁鐵直徑D2為10mm，無磁軛結(jié)構(gòu)，研究靶材表面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁鐵高度H的關(guān)系。H分別取8mm、10mm、12mm、14mm。圖7為對應(yīng)的靶材表面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線，其中，橫坐標(biāo)表示距離內(nèi)磁鐵中心的水平距離(-38mm～38mm)，對應(yīng)三維模型短邊方向；縱坐標(biāo)|BII|表示靶材表面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)。由圖7可見，隨著內(nèi)外磁鐵高度增加，整體水平磁感應(yīng)強(qiáng)度不斷增加，最大水平磁感應(yīng)強(qiáng)度從27mT增加至38mT，與此同時分布曲線趨于尖、窄，水平磁場均勻性下降，刻蝕跑道寬度減小。當(dāng)磁鐵高度H=10mm時，最大水平磁感應(yīng)強(qiáng)度約為30mT，且水平磁感應(yīng)強(qiáng)度分布均勻。

圖7 磁鐵高度H對靶材表面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的影響

2.2 內(nèi)、外磁鐵直徑對磁場分布的影響

固定磁鐵高度為10mm，研究內(nèi)、外磁鐵直徑對靶材表面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。首先取內(nèi)磁鐵直徑D1分別為12mm、16mm、20mm、24mm，外磁鐵直徑均為10mm，對應(yīng)的水平磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線如圖8所示。圖中可以看出：當(dāng)D1為12mm時內(nèi)側(cè)磁場相對較弱，水平磁感應(yīng)強(qiáng)度最大位置靠近外磁鐵；隨著內(nèi)磁鐵直徑逐步增加到24mm，最大水平磁感應(yīng)強(qiáng)度不斷增加，對應(yīng)最大水平磁感應(yīng)強(qiáng)度位置朝內(nèi)磁鐵側(cè)偏移，水平磁場分布均勻區(qū)域先增加后減小。當(dāng)D1為16mm時，水平磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻區(qū)域相對最大，靶材刻蝕跑道寬度相對最寬。

隨后，固定內(nèi)磁鐵直徑D1為16mm，取外磁鐵直徑D2分別為8mm、10 mm、12 mm、14 mm，對應(yīng)的水平磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線如圖9所示。圖中可見，隨著D2的增加，最大水平磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸從26mT增加到39mT，對應(yīng)位置朝外磁鐵側(cè)偏移，水平磁場分布均勻性不斷下降，分布均勻區(qū)域逐步減小。當(dāng)D2為10mm時，水平磁感應(yīng)強(qiáng)度分布最為均勻。

圖8 內(nèi)磁鐵直徑D1對靶材表面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的影響

圖9 外磁鐵直徑D2對靶材表面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的影響

2.3 磁軛尺寸對磁場分布的影響

為進(jìn)一步增強(qiáng)靶材表面磁場分布均勻性，引入磁軛結(jié)構(gòu)，利用其高磁導(dǎo)率的特性對磁場進(jìn)行引流。圖10為引入磁軛后的三維模型和網(wǎng)格劃分結(jié)果，磁力線分布和靶材表面磁通密度水平分量云圖如圖11、圖12。對比圖4和圖11可以看出，引入磁軛后的靶材表面磁力線水平區(qū)域有所增加。隨后，令磁鐵高度為10mm，外磁鐵直徑為10mm，內(nèi)磁鐵直徑為16mm，研究磁軛浸入深度h2對水平磁場分布的影響，如圖13所示。由圖13可以看出，當(dāng)磁軛浸入深度h2分別為0mm、4mm時，相比于無磁軛結(jié)構(gòu)，靶材表面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯增大，分別增加了10mT、20mT；隨著浸入深度進(jìn)一步增加到8mm、12mm，靶材表面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度反而有所下降，且曲線出現(xiàn)凹狀低谷，均勻性也明顯變差。結(jié)果表明，磁軛對靶材表面磁場分布均勻性影響較為顯著，當(dāng)磁軛浸入深度h2=4mm時，刻蝕跑道范圍相對最大，其最大水平磁感應(yīng)強(qiáng)度為40mT。

圖10 引入磁軛的三維模型網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖11 引入磁軛的三維模型磁力線分布圖

圖12 引入磁軛的靶材表面磁通密度水平分量云圖

圖13 無磁軛以及磁軛浸入深度h2對靶材表面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的影響

2.4 磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇

磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇應(yīng)以改善靶材表面水平磁場分布均勻性為目標(biāo)，且保持整體水平磁感應(yīng)強(qiáng)度適中，從而提高靶材利用率和保證薄膜沉積均勻性。從氣體離化率角度分析，靶材表面水平磁感應(yīng)強(qiáng)度過低時，磁場對電子的束縛作用較弱，工作氣體與二次電子碰撞次數(shù)不足，導(dǎo)致穩(wěn)定輝光所需工作電壓增加。從靶材濺射角度分析，磁感應(yīng)強(qiáng)度過低，不僅會降低濺射速率，還易引起靶材壓板、固定螺栓濺射，帶來成分污染；磁感應(yīng)強(qiáng)度過高時，靶材使用初期沉積速率很高，但是隨著靶材刻蝕進(jìn)行，刻蝕形貌愈發(fā)窄、尖，濺射速率迅速降低，靶材利用率偏低。因此，選擇合適的水平磁感應(yīng)強(qiáng)度十分重要。研究表明[8-9]：對于非磁性靶材，水平磁感應(yīng)強(qiáng)度處于30mT～40mT之間較為合適。根據(jù)前述模擬結(jié)果，選擇了矩形磁控濺射靶的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：內(nèi)磁鐵直徑D1=16mm，外磁鐵直徑D2=10mm，磁鐵高度H=10mm，附加磁軛浸入深度h2=4mm，對應(yīng)的水平磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖13中模型“4mm”所示。經(jīng)計算，靶材表面水平磁場分布均勻區(qū)域占比近50%，且最大水平磁感應(yīng)強(qiáng)度為40mT左右，符合濺射靶工作要求。

3 結(jié)語

1) 基于Comsol中的靜磁場、無電流模塊，針對矩形平面磁控濺射靶磁路結(jié)構(gòu)，建立三維物理模型，準(zhǔn)確地模擬了靶材表面磁場分布情況。

2) 通過模擬與分析，明確了磁路結(jié)構(gòu)中的內(nèi)外磁鐵高度、內(nèi)外磁鐵直徑以及磁軛尺寸對靶材表面磁場分布的影響規(guī)律。

3) 根據(jù)模擬結(jié)果確定了矩形平面磁控靶的主要磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)：磁鐵高度10mm，內(nèi)磁鐵直徑16mm，外磁鐵直徑10mm，磁軛浸入深度4mm。靶材表面近50%區(qū)域具有約40mT的水平磁感應(yīng)強(qiáng)度。

本文通過濺射靶內(nèi)部磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選擇，實現(xiàn)靶材表面磁場分布均勻性的改善。在實際應(yīng)用過程中，可利用基于三維模型的磁場模擬結(jié)果為適用于不同磁控濺射技術(shù)的磁場位形設(shè)計提供指導(dǎo)作用。