磁控濺射楊洋（湖北大學(xué)物理學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院，武漢201210）摘要磁控濺射是為了在低氣壓下進行高速濺射，必須有效地提高氣體的離化率。通過在靶陰極表面引入磁場，利用磁場對帶電粒子的約束來提高等離子體密度以增加濺射率的方法。在各種濺射鍍膜技術(shù)中，磁控濺射技術(shù)是最重要的技術(shù)之一，它在等離子體產(chǎn)生、維持以及效率方面與其他技術(shù)相比都有了很大的改進，較易獲得高的沉積速率，致密性與結(jié)合力更好的薄膜，因此在機械、光學(xué)和電子行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。近些年來，關(guān)于磁控放電的理論得到廣泛的研究，主要包括磁場結(jié)構(gòu)的分析以及物理機制討論。在磁場放電區(qū)域，電子被限制在磁力線平行于陰極表面的位置，從而產(chǎn)生出高電離化的背景氣體。在這個區(qū)域產(chǎn)生的離子被加速運動的過程中，又會受到電子和離子的碰撞同時產(chǎn)生出二次電子來維持放電。在磁控濺射系統(tǒng)中，由于特殊的磁場結(jié)構(gòu)，靶材表面的磁場分布以及離子分布是不均勻的，從而導(dǎo)致刻蝕的不均勻性，這對于靶的利用率是一個極大的限制，因此針對于靶面粒子分布以及刻蝕形貌的研究具有很重要的指導(dǎo)意義，而最有效的方法就是通過計算機建立模型仿真。關(guān)鍵詞：磁控濺射，電磁場，靶1、工作原理磁控濺射的工作原理是指電子在電場E的作用下，在飛向基片過程中與氬原子發(fā)生碰撞，使其電離產(chǎn)生出Ar正離子和新的電子；新電子飛向基片，Ar離子在電場作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜，而產(chǎn)生的二次電子會受到電場和磁場作用，產(chǎn)生E（電場）×B（磁場）所指的方向漂移，簡稱E×B漂移，其運動軌跡近似于一條擺線。若為環(huán)形磁場，則電子就以近似擺線形式在靶表面做圓周運動，它們的運動路徑不僅很長，而且被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，并且在該區(qū)域中電離出大量的Ar來轟擊靶材，從而實現(xiàn)了高的沉積速率。隨著碰撞次數(shù)的增加，二次電子的能量消耗殆盡，逐漸遠離靶表面，并在電場E的作用下最終沉積在基片上。由于該電子的能量很低，傳遞給基片的能量很小，致使基片溫升較低。磁控濺射是入射粒子和靶的碰撞過程。入射粒子在靶中經(jīng)歷復(fù)雜的散射過程，和靶原子碰撞，把部分動量傳給靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成級聯(lián)過程。在這種級聯(lián)過程中某些表面附近的靶原子獲得向外運動的足夠動量，離開靶被濺射出來。2、計算方法首先使用有限元分析方法求解磁控濺射電磁場的分布，然后結(jié)合受力分析，仿真了單電子運動軌跡并較好地呈現(xiàn)螺旋形狀，同時模擬出多粒子束的靶面位置分布以及刻蝕形貌圖，最后把計算結(jié)果與實驗中靶面刻蝕形貌進行對比，所求結(jié)果與實驗測量數(shù)據(jù)吻合。2.1、電磁場分布的計算平面磁控濺射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中靶基距為30mm，陰極加-300V偏壓，陽極接地，選取鋁為靶材，直徑為100mm，濺射氣體選擇氬氣。為模擬靶材上方X與Y方向的磁場分布以及Y方向的電場分布，利用有限元分析軟件ANSYS針對上述模型進行求解。磁場與電場分別由公式（1）和（2）表示進行ANSYS求解的時候，參數(shù)取值：相對磁導(dǎo)率μ=3，矯頑力Hcb=20000，磁扼的磁導(dǎo)率μ0=1000。計算的磁場分布結(jié)果如圖3所示。圖4和5分別表示Y和X軸的磁場分布。圖3ANSYS仿真的磁場分布圖圖4Y軸磁場分布圖5X軸磁場分布磁場在圓形靶表面上有兩個特殊分布的位置，如圖4和5所示，靶表面上半徑等于30mm的地方By達到最小值，Bx達到最大值。在這種電磁場條件下，帶點粒子的運動軌跡主要是兩種運動的合成，一個是粒子在垂直于磁場B的平面上做圓周運動；二是在電場E的方向做加速運動。合成的運動對電子產(chǎn)生的結(jié)果是在半徑大約20~30mm的圓環(huán)內(nèi)，單電子的運動軌跡為盤旋著向上運動的螺旋結(jié)構(gòu)。如圖6所示。<圖6單電子運動軌跡在求解域內(nèi)任取N個電子，經(jīng)過dt時間后的分布圖如圖8所示，從圖中可以看出，電子磁場強度大的區(qū)域分布最為密集，由于電場是豎直向下的，電子受到的電場力豎直向上，所以粒子呈現(xiàn)向上運動趨勢；同時，被高能離化的正離子也在靶面X=±30mm位置附近分布最多，而帶正電的離子受到的電場力向下，離子分布如圖7所示，表現(xiàn)為向下運動趨勢。(圖7)（圖8）圖7磁控濺射靶面離子分布圖圖8磁控濺射靶面電子分布圖為了方便統(tǒng)計靶面某個X位置上的電子個數(shù)分布，將圖8中的X坐標進行劃分，計算每個dX內(nèi)的點數(shù)，仿真得到的結(jié)果如圖9所示

圖9電子分布統(tǒng)計圖圖10靶面刻蝕形貌模擬圖圖11實驗測量的刻蝕形貌通過模型計算出靶面刻蝕的形貌曲線，如圖10所示，從圖中可以看出靶材的刻蝕形貌在X坐標上20~30mm以及-30~-20mm的位置呈現(xiàn)“U”形，刻蝕形貌關(guān)于Y軸對稱，這一結(jié)果與圖9中的粒子分布圖形成良好的對應(yīng)。我們把實驗中使用了一段時間的鋁靶照片與其進行比較，實驗中的靶面形貌如圖11所示。從圖中可以看出，在靶面半徑為20~30mm的位置，分布一個環(huán)形的刻蝕槽，這個位置恰恰是前面求得的粒子分布最密集的地方，同樣與模擬得到的靶面形貌圖結(jié)果保持一致，從而驗證了理論模型的正確性。模擬出來的結(jié)果與實際存在一定的誤差，主要原因是沒有考慮等離子體的特殊性質(zhì)以及靶面的動態(tài)刻蝕。4、結(jié)論電磁場分布及其對各種帶電粒子的約束情況對磁控濺射過程有著決定性的影響。本文利用有限元軟件ANSYS和數(shù)值分析軟件MATLAB仿真了磁控濺射中電磁場的分布，結(jié)合受力分析和運動理論得到了粒子在空間區(qū)域內(nèi)的運動以及它們在靶面附近的位置分布特點。計算結(jié)果表明單電子的運動軌跡呈現(xiàn)螺旋結(jié)構(gòu)，與理論分析一致，同時多粒子分布以及模