磁控濺射鐵磁性靶材的主要方法

由于磁控濺射鐵磁性靶材的難點(diǎn)是靶材表面的磁場達(dá)不到正常磁控濺射時要求的磁場強(qiáng)度，因此解決的思路是增加鐵磁性靶材表面剩磁的強(qiáng)度，以達(dá)到正常濺射工作對靶材表面磁場大小的要求。實(shí)現(xiàn)的途徑主要有以下幾種：

a、靶材設(shè)計與改進(jìn)

b、增強(qiáng)磁控濺射陰極的磁場

c、降低靶材的導(dǎo)磁率

d、設(shè)計新的磁控濺射系統(tǒng)

e、設(shè)計新的濺射陰極裝置

f、靶材與濺射陰極裝置的綜合設(shè)計

(1) 靶材的設(shè)計改進(jìn)

將鐵磁性靶材的厚度減薄是解決磁控濺射鐵磁材料靶材的*常見方法。如果鐵磁性靶材足夠薄，則其不能完全屏蔽磁場，一部分磁通將靶材飽和，其余的磁通將從靶材表面通過，達(dá)到磁控濺射的要求。這種方法的*大缺點(diǎn)是靶材的使用壽命過短，同時靶材的利用率很低。而且薄片靶材的另一個缺點(diǎn)是濺射工作時，靶材的熱變形嚴(yán)重，往往造成濺射很不均勻。

一種對鐵磁性靶材進(jìn)行的改進(jìn)設(shè)計是在靶材表面刻槽，槽的位置在濺射環(huán)兩側(cè) (見圖1) 。這種設(shè)計的靶材適用于具有一般導(dǎo)磁率的鐵磁性靶材，例如鎳。但對具有高導(dǎo)磁率的靶材料效果較差。雖然靶材的這種改進(jìn)增加了靶材的成本，但這種措施無需對濺射陰極進(jìn)行改動，能在一定程度上滿足濺射鐵磁性材料的需求。

圖1   經(jīng)過刻槽改進(jìn)的靶材

圖2給出了一種間隙型刻槽改進(jìn)靶材。該靶所用的陰極是平面磁控濺射型的。靶磁場由置于靶的銅背板下方的水冷卻的永磁體產(chǎn)生。在兩個磁極之間的中心位置處和不帶靶材的陰極表面上，其磁場強(qiáng)度為0.145 T。靶材可以為鐵、鎳等導(dǎo)磁材料，將靶材粘在銅背板上以后，用專用刀具在靶材上沿其寬度方向切出所要求的間隙。其原理是在靶材表面上切出許多截斷磁路的間隙，使得在靶材尚未達(dá)到磁飽和的條件下，通過控制間隙寬度和間隙的間隔，即可在磁性材料靶表面上產(chǎn)生均勻的，較大的漏泄磁場。從而使靶材表面上能夠形成正交磁場，而達(dá)到磁性材料的高速磁控濺射成膜的目的，這種磁系統(tǒng)可以允許磁性靶材的厚度超過20 mm。

圖2   間隙型靶和陰極示意圖

(2) 增強(qiáng)磁控濺射陰極的磁場

增強(qiáng)濺射陰極磁場的另一種方法是采用高強(qiáng)磁體，通過強(qiáng)磁場飽和更厚的鐵磁性靶材得到靶材表面需要的濺射磁場強(qiáng)度。但是高強(qiáng)磁鐵的價格昂貴，同時采用這種方法增加靶材厚度的效果有限，而且由于強(qiáng)永磁體大小不能改變，這種方**引起嚴(yán)重的等離子體磁聚現(xiàn)象。等離子體磁聚現(xiàn)象的產(chǎn)生使濺射區(qū)靶材很快消耗完而不能繼續(xù)濺射，從而造成靶材利用率很低。

采用電磁線圈來產(chǎn)生高強(qiáng)磁場，通過調(diào)節(jié)電磁線圈的電流控制磁場大小來抑制等離子體磁聚。但這種方法的磁場裝置復(fù)雜而且成本高，同時電磁線圈還受到濺射陰極尺寸的限制，從而使電磁場的強(qiáng)度受到限制，導(dǎo)致鐵磁性靶材的厚度增加有限。

還可以采用永磁體與電磁體復(fù)合的方法解決等離子體磁聚的問題，在不同的濺射過程中調(diào)節(jié)電磁線圈，以產(chǎn)生大小合適的電磁場。這種方法的缺點(diǎn)是電磁源裝置復(fù)雜，電磁線圈的使用也增加了設(shè)備成本和使用成本。

(3) 降低靶材的導(dǎo)磁率

由于鐵磁材料均存在居里點(diǎn)，如果把鐵磁材料加熱到其居里溫度之上，鐵磁材料轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾挪牧希浯牌帘涡?yīng)將消失，從而磁控濺射鐵磁材料將得到解決。這種方法的缺點(diǎn)是需要一個加熱裝置來維持鐵磁靶材溫度在其居里點(diǎn)之上，并要對鐵磁靶的溫度實(shí)時監(jiān)測。另外，大多數(shù)鐵磁材料的居里溫度非常高，在400℃~1 100℃，如果把靶材加熱至該溫區(qū)可能導(dǎo)致無法在基片上成膜，或損壞其他真空部件。另一個不利之處是大多數(shù)高性能永磁體一旦溫度超過150℃~200℃將產(chǎn)生退磁現(xiàn)象，而無法恢復(fù)原有磁性。

(4) 磁控濺射系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計

a、對靶磁控濺射系統(tǒng)

采用對靶磁控濺射系統(tǒng)，可以獲得高沉積速率的磁性膜，且不必大幅度升高基片溫度。對靶磁控濺射系統(tǒng)可以用來制備磁性Fe、Ni及其磁性合金膜。

對靶磁控濺射系統(tǒng)其原理如圖3所示。兩只靶相對安置，所加磁場和靶表面垂直，且磁場和電場平行。陽極放置在與靶面垂直部位，和磁場一起，起到約束等離子體的作用。二次電子飛出靶面后，被垂直靶的陰極位降區(qū)的電場加速。電子在向陽極運(yùn)動過程中受磁場作用，作洛侖茲運(yùn)動。但是由于兩靶上加有較高的負(fù)偏壓，部分電子幾乎沿直線運(yùn)動，到對面靶的陰極位降區(qū)被減速，然后又被向相反方向加速運(yùn)動。這樣二次電子除被磁場約束外，還受很強(qiáng)的靜電反射作用，二次電子被有效的約束封閉在兩個靶極之間，形成柱狀等離子體。避免了高能電子對基體的轟擊，使基體溫升很小。電子被兩個電極來回反射，大大加長了電子運(yùn)動的路程，增加了和氬氣的碰撞電離幾率，從而大大提高了兩靶間氣體的電離化程度，增加了濺射所需氬離子的密度，因而提高了沉積速率。

圖3   對靶磁控濺射原理

1-N極；2-對靶陰極；3-陰極暗區(qū)；4-等離子體區(qū)；5-基體偏壓電源；6-基體；7-陽極 (真空室) ；8-靶電源；9-S極

圖4為對靶磁控濺射裝置示意圖。由圖可見，由靶兩側(cè)的磁鐵及輔助電磁線圈產(chǎn)生的通向磁場構(gòu)成對靶磁控濺射陰極的磁路，兩塊靶材對向平行放置，靶材表面與磁力線垂直。濺射時，兩側(cè)靶材同時施加負(fù)電壓，產(chǎn)生的放電等離子體被局限在兩靶材之間，兩側(cè)靶材被同時濺射，基片被垂直放置于一對陰極靶的側(cè)面。由于靶材與磁場垂直，靶材的厚度對靶材表面磁場的大小及分布影響較小，因此對靶磁控濺射技術(shù)對靶材的厚度無特殊要求，可以超過10 mm。除此之外，對靶磁控濺射的靶材濺射溝道平坦，靶材利用率高，可大于70%。

圖4   對靶磁控濺射裝置示意圖

1-輔助電磁線圈；2-陽極；3-對靶陰極；4-靶兩側(cè)磁鐵；5-基片；6-靶電源；7-放電等離子體；8-靶材

對靶磁控濺射系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：

1) 由于采用兩個對向靶材同時濺射，陰極結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工成本高、安裝難度大。

2) 與平面磁控濺射不同，對靶磁控濺射系統(tǒng)因其磁路開放，在周圍出現(xiàn)漏磁現(xiàn)象，對周圍設(shè)備產(chǎn)生磁干擾。

3) 因采用旁軸濺射模式，在濺射過程中，等離子體對基片的轟擊較弱，影響薄膜的附著力。