小圓平面靶磁控濺射鍍膜均勻性分析

1、小圓平面靶磁控濺射鍍膜均勻性分析 本文從圓平面靶磁控濺射的原理出發(fā)，針對圓形平面靶面積小于基片面積的特點開展分析，建立膜厚分布的數(shù)學(xué)模型，并利用計算機開展模擬計算，目的在于探尋平面靶材面積小于基片面積時影響膜厚均勻性的因素。模擬計算的結(jié)果說明：基片偏心自轉(zhuǎn)時，靶基距和偏心距對膜厚分布均有影響。偏心距一定時，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；靶基距一定時，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，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)范圍的變化對薄膜的均勻性有一定的影響。這些理論為

2、小圓平面磁控濺射系統(tǒng)的設(shè)計和實際應(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。理論研究和實驗證明，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)合運動形式有利于膜厚均勻性的提高。本文將針對這一情況，研究小圓平面靶在單單獨轉(zhuǎn)及自轉(zhuǎn)復(fù)合公轉(zhuǎn)時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根底。 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。如下圖，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d

3、A 的中心距離為L，濺射角為，面元dB 的法線與dA 的中心連線夾角為，面元dA的極角為。 圖1 平面磁控濺射示意圖 為了計算濺射形成薄膜厚度的均勻性，對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)域為圓環(huán)狀，該區(qū)域內(nèi)橫向磁感應(yīng)強度最大，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)靶子受到均勻濺蝕，忽略圓環(huán)邊緣電磁場畸變造成的影響。根據(jù)磁控濺射靶的刻蝕現(xiàn)象與磁控磁場的關(guān)系3 ，假設(shè)磁控濺射系統(tǒng)的濺射率與磁控磁場在靶表面的水平分量成正比。 (2) 入射離子集中在靠近靶

4、面區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)被電場加速使其能量提高，而導(dǎo)體靶表面電場處處垂直于導(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，無擴散運動，它們立刻停在原地不動，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單的余弦分布，即用cos()表示，其中 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幾帕數(shù)量級，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=。這幾條假定不會使推導(dǎo)結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差。 3、結(jié)論 基片自轉(zhuǎn)時，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；靶基距一定時，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，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，它對膜厚均勻性的影響逐漸變