直流磁控濺射中磁場(chǎng)強(qiáng)度和陰極電壓對(duì)圓平面靶刻蝕形貌的影響

　　本文借助Comsol 和Matlab 軟件模擬了直流磁控濺射圓平面靶系統(tǒng)的磁場(chǎng)分布和荷電粒子分布，對(duì)不同磁場(chǎng)強(qiáng)度和陰極電壓條件下的荷電粒子分布進(jìn)行了模擬分析，通過比較靶面離子流密度分布曲線發(fā)現(xiàn)：當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，靶面離子流密度分布曲線會(huì)變得更加陡窄;當(dāng)陰極電壓變化時(shí)，靶面離子流密度分布曲線幾乎沒有變化。說明靶材的刻蝕形貌會(huì)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)而變窄，而陰極電壓變化對(duì)靶材的刻蝕形貌沒有影響。上述結(jié)論對(duì)直流磁控濺射工藝參數(shù)優(yōu)化具有一定的理論指導(dǎo)意義。

　　在各種濺射鍍膜技術(shù)中，由于磁控濺射技術(shù)具有能制備高熔點(diǎn)材料、復(fù)合材料薄膜以及沉積速率快、可控性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。但是真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)分析發(fā)現(xiàn)磁控濺射也存在一些顯著的缺點(diǎn)，如靶表面磁場(chǎng)的不均勻分布導(dǎo)致靶表面不均勻刻蝕，靶材利用率低。圓平面磁控濺射靶是實(shí)際應(yīng)用中一種比較常用的靶，磁場(chǎng)強(qiáng)度和陰極電壓是磁控濺射中常用的兩個(gè)工藝參數(shù)。基于此，本文模擬了直流磁控濺射圓平面靶系統(tǒng)的磁場(chǎng)分布和荷電粒子分布，分析了磁場(chǎng)強(qiáng)度和陰極電壓大小對(duì)靶材刻蝕形貌的影響，從而可以對(duì)直流磁控濺射工藝參數(shù)優(yōu)化具有一定的理論指導(dǎo)意義。

1、圓平面靶系統(tǒng)的磁場(chǎng)模擬

　　圓平面磁控濺射靶的磁體排布的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其磁場(chǎng)和荷電粒子呈軸對(duì)稱分布，因此可以采用二維軸對(duì)稱模型進(jìn)行模擬計(jì)算。

　　首先，在Comsol 中建立圓平面磁控濺射靶的二維軸對(duì)稱模型，如圖1 所示。對(duì)銅背板、壓蓋等進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，圖中部件從上到下依次為靶材、內(nèi)外磁鋼和磁軛。各部件具體尺寸和材料參數(shù)見表1。

　　然后對(duì)材料定義物理參數(shù)，接著給定邊界條件，內(nèi)邊界設(shè)置成連續(xù)，外邊界設(shè)置成零磁場(chǎng)邊界，對(duì)稱軸設(shè)置成軸對(duì)稱邊界。之后劃分網(wǎng)格，以三角形網(wǎng)格劃分，如圖2 所示。

圖1 圓平面靶的簡(jiǎn)化幾何模型　　圖2 網(wǎng)格劃分圖

表1 圓平面靶模型中各部件的尺寸和參數(shù)

　　畫好網(wǎng)格后，進(jìn)行求解，就可以獲得磁通密度的分布云圖、矢量圖和磁力線分布圖，如圖3、圖4、圖5 和圖6。可以發(fā)現(xiàn)，磁體在靶表面也產(chǎn)生了拱形磁場(chǎng)，它將約束電子的運(yùn)動(dòng)，使等離子體分布不均勻。

圖3 磁通密度Br 分量云圖　　圖4 磁通密度Bz 分量云圖

　　為了進(jìn)行后續(xù)的荷電粒子分布模擬，必須得到包含具體磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的文件，從Comsol 中可以單獨(dú)導(dǎo)出磁通密度Br 和Bz 的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過Matlab的處理就可以得到所需的磁場(chǎng)文件。

圖5 磁通密度Bzr 矢量圖　　圖6 磁力線分布圖

2、圓平面靶系統(tǒng)的荷電粒子分布模擬

　　本圓平面靶系統(tǒng)荷電粒子分布的模擬區(qū)域也是靶面到基片之間的區(qū)域，如圖7 所示。模擬區(qū)域?yàn)?0 mm×60 mm 的矩形區(qū)域，左邊界為半徑為50 mm 的靶材，右邊界為基片，靶基距為60 mm。

圖7 放電模擬區(qū)域示意圖

　　模擬區(qū)域劃分為250×300 個(gè)網(wǎng)格，將之前得到的磁場(chǎng)文件導(dǎo)入并分配給網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，磁場(chǎng)在模擬區(qū)域的分布如圖8 和圖9。

圖8 磁通密度Br 的分布　　圖9 磁通密度Bz 的分布

　　模擬采用電壓驅(qū)動(dòng)模式，在陰極靶材上加- 500 V 的直流電壓，基片電壓設(shè)置為0 V，中性氣體設(shè)置為氬氣，氣壓0.005 Torr，氬離子轟擊靶材表面產(chǎn)生的二次電子發(fā)射系數(shù)γ 為0.1，起始時(shí)刻模擬區(qū)域的電子和氬離子設(shè)置成均勻分布，模擬中一個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)超粒子，一個(gè)超粒子代表1×107 個(gè)電子或離子。電子時(shí)間步長(zhǎng)為1×10- 10 s，離子時(shí)間步長(zhǎng)是電子的10 倍。對(duì)于電子與氬原子的碰撞，考慮它們之間的彈性碰撞、電離碰撞以及激發(fā)碰撞，對(duì)于氬離子與氬原子的碰撞，考慮它們之間的彈性碰撞以及電荷轉(zhuǎn)移碰撞。

　　通過模擬計(jì)算，可以得到圓平面靶表面附近放電區(qū)域的荷電粒子空間分布圖。

圖10 電子的空間分布　　圖11 氬離子的空間分布

　　圖中可以明顯看出，由于拱形磁場(chǎng)的存在，電子被約束在一定區(qū)域內(nèi)，而且越靠近靶面約束越強(qiáng)，氬離子分布與電子分布相似。同樣，還能得到靶面在半徑方向上的粒子流密度sf(r)分布曲線，如圖12 所示。

圖12 靶面粒子流密度分布曲線　　圖13 矯頑力為200kA/m 時(shí)電子的空間分布　　圖14 矯頑力為200kA/m 時(shí)氬離子的空間分布　　圖15 矯頑力為200kA/m 時(shí)靶面粒子流密度分布曲線

　　圖中下方的曲線表示電子流密度分布，上方曲線表示離子流密度分布。圖中離子流密度分布曲線出現(xiàn)一個(gè)波峰，波峰所對(duì)應(yīng)位置靶材刻蝕最嚴(yán)重，這與常見的圓平面靶刻蝕形貌相符。

3、磁場(chǎng)強(qiáng)度和陰極電壓對(duì)靶材刻蝕形貌的影響

　　本文基于前述圓平面靶系統(tǒng)模型，分別改變磁鋼的矯頑力大小和陰極電壓大小，然后進(jìn)行模擬計(jì)算，之后比較靶面離子流密度分布曲線的變化，從而在一定程度上分析磁場(chǎng)強(qiáng)度和陰極電壓對(duì)刻蝕形貌的影響。

3.1、磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)靶材刻蝕形貌的影響

　　當(dāng)其它參數(shù)不變時(shí)，將磁鋼矯頑力大小變?yōu)?00 kA/m，經(jīng)過模擬計(jì)算，得到的荷電粒子分布圖和靶面粒子流密度分布曲線如圖13、圖14 和圖15 所示。

　　當(dāng)其它參數(shù)不變時(shí)，將磁鋼矯頑力大小變?yōu)?00 kA/m，經(jīng)過模擬計(jì)算，得到的荷電粒子分布圖和靶面粒子流密度分布曲線如圖16、圖17 和圖18 所示。

圖16 矯頑力為400kA/m 時(shí)電子的空間分布　　圖17 矯頑力為400kA/m 時(shí)氬離子的空間分布　　圖18 矯頑力為400kA/m 時(shí)靶面粒子流密度分布曲線　　圖19 靶面離子流密度分布曲線對(duì)比圖

　　將不同磁場(chǎng)強(qiáng)度條件下的靶面離子流密度sF(r)分布曲線提取出來，放在同一幅圖中進(jìn)行比較，如圖19 所示。

　　從圖中可以看出，隨著磁鋼矯頑力的變大(磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng))，靶面離子流密度分布曲線變得更加陡窄，這在一定程度上說明靶材的刻蝕形貌會(huì)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)而變窄，靶材利用率會(huì)降低。

3.2、陰極電壓對(duì)靶材刻蝕形貌的影響

　　當(dāng)其它參數(shù)不變時(shí)，將陰極電壓大小變?yōu)?00 V，經(jīng)過模擬計(jì)算，得到的荷電粒子分布圖和靶面粒子流密度分布曲線如圖20、圖21 和圖22所示。當(dāng)其它參數(shù)不變時(shí)，將陰極電壓大小變?yōu)?00 V，經(jīng)過模擬計(jì)算，得到的荷電粒子分布圖和靶面粒子流密度分布曲線如圖23、圖24 和圖25所示。

圖20 陰極電壓為400V 時(shí)電子的空間分布　　圖21 陰極電壓為400V 時(shí)氬離子的空間分布　　圖22 陰極電壓為400V 時(shí)靶面粒子流密度分布曲線　　圖23 陰極電壓為600V 時(shí)電子的空間分布　　圖24 陰極電壓為600V 時(shí)氬離子的空間分布　　圖25 陰極電壓為600V 時(shí)靶面粒子流密度分布曲線

　　將不同陰極電壓條件下的靶面離子流密度分布曲線提取出來，放在同一幅圖中進(jìn)行比較，如圖26 所示。

　　從圖中可以看出，當(dāng)陰極電壓變化時(shí)，靶面離子流密度分布sF(r)曲線幾乎沒有變化，這在一定程度上說明陰極電壓變化對(duì)靶材的刻蝕形貌沒有影響。

圖26 靶面離子流密度分布曲線對(duì)比圖

4、結(jié)論

　　本文首先對(duì)圓平面靶系統(tǒng)的磁場(chǎng)分布和荷電粒子分布進(jìn)行了二維軸對(duì)稱模擬，得到了磁場(chǎng)分布數(shù)據(jù)以及荷電粒子分布圖和靶面粒子流密度分布曲線。然后基于該圓平面靶系統(tǒng)模型，模擬并分析磁場(chǎng)強(qiáng)度和陰極電壓對(duì)靶材刻蝕形貌的影響，得到以下結(jié)論：(1)靶材的刻蝕形貌會(huì)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)而變窄，靶材利用率會(huì)降低;(2)陰極電壓變化不會(huì)影響靶材的刻蝕形貌。