由于(yu)磁(ci)控(kong)溅(jian)射(she)铁磁(ci)性靶(ba)材的难(nan)点是靶(ba)材(cai)表(biao)面的磁场(chang)达不到正常(chang)磁(ci)控溅射(she)时(shi)要求(qiu)的磁(ci)场强度(du)，因此解(jie)决(jue)的(de)思(si)路是(shi)增(zeng)加铁磁(ci)性(xing)靶(ba)材表面(mian)剩磁的强度，以达(da)到正(zheng)常溅射(she)工作(zuo)对靶(ba)材表(biao)面(mian)磁(ci)场(chang)大(da)小(xiao)的(de)要(yao)求。实(shi)现的途(tu)径(jing)主(zhu)要(yao)有以下(xia)几(ji)种：
a、靶材(cai)设(she)计(ji)与改进(jin)
b、增(zeng)强(qiang)磁(ci)控溅射阴极的(de)磁(ci)场
c、降低(di)靶(ba)材(cai)的(de)导磁率
d、设计(ji)新(xin)的磁(ci)控(kong)溅(jian)射系统(tong)
e、设(she)计新(xin)的(de)溅射(she)阴(yin)极装置(zhi)
f、靶(ba)材与(yu)溅射阴(yin)极装置(zhi)的(de)综(zong)合设(she)计
(1) 靶材的(de)设(she)计改(gai)进(jin)
将铁(tie)磁性(xing)靶(ba)材(cai)的厚(hou)度(du)减薄是(shi)解(jie)决(jue)磁(ci)控(kong)溅(jian)射铁磁(ci)材(cai)料(liao)靶材(cai)的*常见方法。如(ru)果铁(tie)磁(ci)性靶(ba)材足够薄(bao)，则其(qi)不(bu)能完(wan)全屏(ping)蔽(bi)磁(ci)场(chang)，一部(bu)分(fen)磁通(tong)将(jiang)靶材饱(bao)和(he)，其(qi)余的磁(ci)通将(jiang)从靶(ba)材表(biao)面通(tong)过，达(da)到磁(ci)控溅射(she)的(de)要(yao)求(qiu)。这种方法的最(zui)大(da)缺点(dian)是(shi)靶(ba)材的使(shi)用寿命过(guo)短，同(tong)时(shi)靶材(cai)的利用(yong)率很(hen)低。而且(qie)薄片靶材(cai)的另一(yi)个(ge)缺点是溅射工(gong)作时，靶(ba)材(cai)的(de)热变形严重，往往造成(cheng)溅(jian)射很不均(jun)匀。
一种对铁磁(ci)性(xing)靶材(cai)进(jin)行(xing)的改进(jin)设计是在靶(ba)材表(biao)面刻槽(cao)，槽(cao)的位置在(zai)溅(jian)射(she)环两(liang)侧 (见(jian)图(tu)1) 。这种(zhong)设(she)计(ji)的(de)靶(ba)材适(shi)用于具有(you)一(yi)般导(dao)磁(ci)率的(de)铁磁(ci)性(xing)靶材(cai)，例(li)如(ru)镍。但(dan)对具有(you)高(gao)导(dao)磁率的(de)靶材(cai)料(liao)效果(guo)较(jiao)差。虽然靶(ba)材的(de)这种(zhong)改(gai)进增加(jia)了靶材(cai)的(de)成本(ben)，但(dan)这(zhe)种措(cuo)施无需对(dui)溅(jian)射阴(yin)极(ji)进(jin)行改动(dong)，能(neng)在(zai)一(yi)定程度(du)上满(man)足(zu)溅射(she)铁(tie)磁(ci)性(xing)材料(liao)的(de)需(xu)求。
图(tu)1 经(jing)过刻槽(cao)改进的(de)靶(ba)材
图2给(gei)出(chu)了一种(zhong)间隙型刻槽改(gai)进靶(ba)材(cai)。该(gai)靶(ba)所(suo)用的阴(yin)极是平面(mian)磁(ci)控溅射(she)型(xing)的。靶(ba)磁(ci)场由(you)置于(yu)靶(ba)的(de)铜(tong)背(bei)板(ban)下(xia)方的水冷却的(de)永(yong)磁体(ti)产生(sheng)。在两(liang)个磁极(ji)之间的(de)中心(xin)位(wei)置处(chu)和(he)不(bu)带(dai)靶材的阴极(ji)表(biao)面上，其磁场(chang)强(qiang)度(du)为(wei)0.145 T。靶(ba)材可以(yi)为(wei)铁、镍等导(dao)磁(ci)材料(liao)，将(jiang)靶材(cai)粘(zhan)在铜背板上以后(hou)，用专用刀(dao)具在(zai)靶材(cai)上沿(yan)其宽度方(fang)向切出所(suo)要求的(de)间(jian)隙。其原理(li)是在(zai)靶(ba)材(cai)表(biao)面(mian)上切(qie)出(chu)许(xu)多截断(duan)磁路的间隙，使(shi)得在(zai)靶材尚未达(da)到磁(ci)饱(bao)和的条件下，通过控(kong)制间隙(xi)宽度和(he)间隙(xi)的间(jian)隔，即可(ke)在(zai)磁(ci)性(xing)材料靶(ba)表面(mian)上(shang)产生(sheng)均匀(yun)的，较大的(de)漏(lou)泄(xie)磁(ci)场(chang)。从而(er)使靶材(cai)表面上能够(gou)形成(cheng)正交磁场(chang)，而达(da)到(dao)磁性材(cai)料(liao)的(de)高(gao)速磁(ci)控溅(jian)射(she)成(cheng)膜(mo)的目的，这种(zhong)磁(ci)系(xi)统(tong)可(ke)以允(yun)许(xu)磁性(xing)靶材的厚(hou)度(du)超过(guo)20mm。
图2 间隙(xi)型(xing)靶(ba)和(he)阴极(ji)示意图(tu)
(2) 增强(qiang)磁(ci)控溅(jian)射阴极的磁场(chang)
增强(qiang)溅(jian)射(she)阴极磁(ci)场(chang)的另(ling)一种方法(fa)是采用(yong)高(gao)强(qiang)磁体，通(tong)过强磁场(chang)饱(bao)和更厚(hou)的铁(tie)磁性靶(ba)材得(de)到靶(ba)材表(biao)面(mian)需(xu)要(yao)的(de)溅射(she)磁场(chang)强度(du)。但(dan)是高强(qiang)磁(ci)铁的价(jia)格昂贵(gui)，同时(shi)采(cai)用(yong)这种(zhong)方(fang)法(fa)增(zeng)加靶(ba)材厚度(du)的效(xiao)果有(you)限，而(er)且(qie)由(you)于强永磁(ci)体大小不(bu)能(neng)改变(bian)，这种方(fang)**引(yin)起(qi)严重(zhong)的(de)等(deng)离子体磁(ci)聚现(xian)象(xiang)。等离子(zi)体(ti)磁聚(ju)现象(xiang)的(de)产(chan)生使溅射区(qu)靶材(cai)很(hen)快消(xiao)耗(hao)完而不能继续(xu)溅(jian)射，从(cong)而(er)造成靶材(cai)利用(yong)率(lv)很低(di)。
采用电(dian)磁(ci)线圈来(lai)产生(sheng)高强(qiang)磁(ci)场(chang)，通过调节电(dian)磁线圈的(de)电流控(kong)制(zhi)磁(ci)场大(da)小来抑制(zhi)等(deng)离(li)子(zi)体(ti)磁(ci)聚(ju)。但这种方(fang)法(fa)的(de)磁(ci)场(chang)装置复杂(za)而(er)且成(cheng)本高(gao)，同(tong)时(shi)电(dian)磁线(xian)圈(quan)还受(shou)到(dao)溅射(she)阴(yin)极(ji)尺寸的限(xian)制(zhi)，从(cong)而(er)使电磁(ci)场(chang)的(de)强度(du)受(shou)到(dao)限制(zhi)，导(dao)致(zhi)铁(tie)磁性靶材的(de)厚度(du)增(zeng)加(jia)有限(xian)。
还可(ke)以(yi)采(cai)用永磁体(ti)与电(dian)磁(ci)体复(fu)合(he)的方法解决(jue)等(deng)离(li)子体磁(ci)聚的(de)问(wen)题(ti)，在不(bu)同的溅射过程中(zhong)调(diao)节(jie)电磁线圈(quan)，以产生大(da)小(xiao)合(he)适的(de)电(dian)磁场(chang)。这(zhe)种方(fang)法(fa)的缺(que)点(dian)是(shi)电磁源(yuan)装置(zhi)复杂，电(dian)磁(ci)线圈(quan)的使(shi)用也(ye)增加(jia)了(le)设备成(cheng)本(ben)和使(shi)用成本(ben)。
(3) 降(jiang)低靶材的(de)导(dao)磁(ci)率
由(you)于(yu)铁磁材料(liao)均(jun)存(cun)在居(ju)里点(dian)，如果把(ba)铁磁(ci)材(cai)料(liao)加(jia)热到(dao)其(qi)居里温度之(zhi)上(shang)，铁(tie)磁(ci)材料(liao)转(zhuan)变(bian)为(wei)顺磁(ci)材(cai)料，其(qi)磁屏(ping)蔽效应将消失，从(cong)而磁控溅射铁(tie)磁(ci)材(cai)料(liao)将(jiang)得(de)到(dao)解(jie)决(jue)。这(zhe)种方法(fa)的缺点是(shi)需要(yao)一个加热装置来(lai)维(wei)持铁(tie)磁(ci)靶材温(wen)度(du)在其(qi)居里(li)点之(zhi)上(shang)，并要(yao)对铁磁靶的温(wen)度(du)实时(shi)监(jian)测。另外，大多数(shu)铁(tie)磁材料的居里(li)温度非(fei)常高，在400℃~1 100℃，如(ru)果(guo)把(ba)靶材(cai)加热(re)至(zhi)该温区可能(neng)导致(zhi)无法在基(ji)片(pian)上成(cheng)膜(mo)，或(huo)损坏(huai)其(qi)他真(zhen)空部件(jian)。另(ling)一(yi)个(ge)不利(li)之(zhi)处(chu)是大多(duo)数高(gao)性(xing)能(neng)永(yong)磁(ci)体(ti)一旦(dan)温(wen)度超(chao)过150℃~200℃将产生(sheng)退(tui)磁(ci)现(xian)象(xiang)，而无法恢(hui)复(fu)原(yuan)有(you)磁(ci)性。
(4) 磁(ci)控(kong)溅(jian)射系(xi)统(tong)的改进设(she)计
a、对(dui)靶磁(ci)控溅(jian)射系统(tong)
采用对(dui)靶(ba)磁(ci)控溅(jian)射系(xi)统，可(ke)以获得高(gao)沉积(ji)速率的(de)磁(ci)性膜，且不(bu)必(bi)大(da)幅(fu)度升(sheng)高基片温度(du)。对靶磁控(kong)溅射系统可(ke)以(yi)用(yong)来(lai)制(zhi)备(bei)磁(ci)性(xing)Fe、Ni及其(qi)磁(ci)性合金(jin)膜(mo)。
对靶磁控溅(jian)射(she)系统(tong)其原(yuan)理如(ru)图3所(suo)示。两只(zhi)靶相(xiang)对安(an)置，所加(jia)磁(ci)场(chang)和(he)靶表面(mian)垂直(zhi)，且(qie)磁(ci)场和(he)电场平行(xing)。阳(yang)极(ji)放置(zhi)在(zai)与靶面(mian)垂直部(bu)位(wei)，和(he)磁场(chang)一(yi)起，起(qi)到(dao)约(yue)束等离子(zi)体(ti)的作用。二次电子(zi)飞(fei)出靶面(mian)后(hou)，被垂(chui)直靶的阴(yin)极(ji)位降(jiang)区(qu)的电场加(jia)速。电子(zi)在(zai)向(xiang)阳极(ji)运(yun)动(dong)过程(cheng)中受(shou)磁场作(zuo)用，作(zuo)洛(luo)仑(lun)兹运动。但(dan)是(shi)由(you)于(yu)两(liang)靶上加有较(jiao)高(gao)的负(fu)偏(pian)压，部(bu)分电子几(ji)乎沿直(zhi)线(xian)运动，到(dao)对面(mian)靶的阴极位降区被(bei)减速，然后又被向相反方向(xiang)加(jia)速运动。这(zhe)样二(er)次电子(zi)除(chu)被磁(ci)场约束(shu)外(wai)，还(hai)受(shou)很强(qiang)的静电(dian)反射(she)作(zuo)用，二(er)次电(dian)子被有效的约(yue)束(shu)封(feng)闭(bi)在两个(ge)靶极之(zhi)间(jian)，形(xing)成柱状等(deng)离子(zi)体。避(bi)免(mian)了高(gao)能电(dian)子(zi)对(dui)基(ji)体的轰(hong)击(ji)，使基体(ti)温(wen)升(sheng)很(hen)小(xiao)。电子被两(liang)个电极(ji)来(lai)回反(fan)射(she)，大大(da)加(jia)长(zhang)了(le)电(dian)子运(yun)动的路程(cheng)，增加了和氩气的(de)碰撞(zhuang)电(dian)离(li)几(ji)率，从(cong)而大(da)大提(ti)高了两靶(ba)间气体(ti)的电离(li)化程(cheng)度，增加了(le)溅(jian)射所(suo)需氩(ya)离子的(de)密度(du)，因而(er)提(ti)高了沉积速率(lv)。
图(tu)3 对(dui)靶(ba)磁(ci)控(kong)溅射(she)原(yuan)理(li)
1-N极；2-对(dui)靶(ba)阴极(ji)；3-阴极暗(an)区；4-等离(li)子体区(qu)；5-基(ji)体(ti)偏压(ya)电(dian)源(yuan)；6-基体(ti)；7-阳极(ji) (真空室(shi)) ；8-靶(ba)电(dian)源(yuan)；9-S极(ji)
图(tu)4为对(dui)靶(ba)磁(ci)控(kong)溅射装(zhuang)置示(shi)意图。由图可见(jian)，由(you)靶(ba)两侧(ce)的磁(ci)铁及(ji)辅助(zhu)电(dian)磁(ci)线圈产(chan)生的(de)通(tong)向磁场(chang)构成对(dui)靶磁控溅射阴(yin)极的磁路(lu)，两(liang)块(kuai)靶(ba)材对向(xiang)平行放(fang)置(zhi)，靶(ba)材(cai)表面(mian)与磁力(li)线垂直。溅射(she)时(shi)，两侧(ce)靶(ba)材(cai)同时(shi)施加负电(dian)压(ya)，产生的(de)放(fang)电等(deng)离(li)子体(ti)被局限(xian)在(zai)两靶材(cai)之间，两侧(ce)靶材被(bei)同时溅射(she)，基(ji)片被垂直放置(zhi)于一(yi)对(dui)阴极(ji)靶(ba)的(de)侧面。由(you)于靶(ba)材(cai)与(yu)磁场垂(chui)直(zhi)，靶材(cai)的(de)厚度对(dui)靶材表(biao)面(mian)磁(ci)场(chang)的大(da)小(xiao)及(ji)分(fen)布(bu)影响较(jiao)小，因此(ci)对靶磁控溅(jian)射(she)技(ji)术对靶材的厚(hou)度(du)无(wu)特(te)殊要求(qiu)，可(ke)以超过10 mm。除此(ci)之(zhi)外(wai)，对(dui)靶磁(ci)控(kong)溅射的(de)靶材(cai)溅(jian)射(she)沟道平(ping)坦(tan)，靶材(cai)利用(yong)率(lv)高，可(ke)大于(yu)70%。
图(tu)4 对(dui)靶磁控溅射装(zhuang)置示(shi)意图
1-辅(fu)助(zhu)电磁线圈；2-阳极(ji)；3-对靶阴(yin)极；4-靶两(liang)侧(ce)磁铁；5-基片(pian)；6-靶电源(yuan)；7-放电等(deng)离子(zi)体(ti)；8-靶(ba)材(cai)
对靶(ba)磁(ci)控溅射(she)系(xi)统(tong)的缺点(dian)是(shi)：
1) 由于(yu)采(cai)用(yong)两(liang)个对向靶(ba)材(cai)同时溅射，阴(yin)极结构(gou)复杂(za)、加工(gong)成本(ben)高(gao)、安装(zhuang)难(nan)度大(da)。
2) 与平面磁控溅(jian)射不同，对靶(ba)磁控溅(jian)射(she)系统因(yin)其(qi)磁路(lu)开(kai)放，在(zai)周围(wei)出(chu)现(xian)漏(lou)磁(ci)现象(xiang)，对周(zhou)围(wei)设(she)备(bei)产(chan)生(sheng)磁干(gan)扰。
3) 因(yin)采(cai)用(yong)旁(pang)轴溅射(she)模(mo)式，在溅射(she)过(guo)程中，等离(li)子体(ti)对(dui)基(ji)片的轰击较弱(ruo)，影(ying)响薄(bao)膜的附(fu)着力。
相(xiang)关(guan)链接(jie)
