磁控溅射铁磁性靶材存在的问题

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真空泵 www.ahhtbfc.com   电子信息技术的快速发展对磁性薄膜、磁性元器件产生了巨大需求,磁性薄膜和磁性元器件的制备离不开原料Fe、Co、Ni等铁磁性金属及合金。由于磁控溅射技术制备的薄膜纯度高,结构控制精确,因此磁控溅射是沉积高质量磁性薄膜来制造磁性元器件广泛采用的方法。但是磁控溅射沉积磁性薄膜存在着铁磁性靶材难以正常溅射等问题,这一困难阻碍了高性能磁性薄膜和器件的生产与应用。

  磁控溅射铁磁性靶材存在的问题

  对于Fe、Co、Ni、Fe2O3、坡莫合金等铁磁性材料,要实现低温、高速溅射沉积,采用普通的磁控溅射方式会受到很大的限制。这是由于采用上述几种材料制成的靶磁阻很低,大部分磁场如图1所示的那样几乎完全从铁磁性靶材内部通过,使靶材表面上部的剩余磁场过小,无法形成有效地电子束缚区域,不可能形成平行于靶表面的使二次电子作圆摆线运动的强磁场,使得磁控溅射不能进行。此时,磁控溅射就成为效率很低的二极溅射,使薄膜的沉积速度大大下降,基片急剧升温。

磁控溅射铁磁性靶材存在的问题

图1 磁力线通过铁磁性靶材示意图 (C为磁力线通道的中线轴)

  相比普通靶材,除了磁屏蔽效应外,在溅射铁磁性材料时,等离子体磁聚现象变得更加严重。如图2所示,图2 (a) 中的点1和点3是磁力线通道中线轴C两边的点。在溅射时,由于电场和磁场共同存在,处于点1和点3位置的电子受到库仑力和洛仑兹力的作用而向磁力线通道的中线轴C处运动,处于点2位置的电子不受横向力的作用。

  因此,溅射时中线轴处的等离子体最多,在靶材相应位置的溅射最为激烈,溅射率也最大。这种情况在所有的靶材溅射中均存在。但是在溅射铁磁性靶材时,等离子体磁聚现象更加严重。

  从图2(d) 可见,由于等离子体磁聚现象,首先在磁力线通道中线处出现溅射沟道,原从铁磁靶材内部通过的磁力线就将从沟道处外泄出来,溅射的沟道越深,外泄的磁力线越多,磁力线中轴处的磁场强度越大,从而使更多的电子在磁力线中轴处磁聚,更多的等离子体在磁力线中轴处产生,于是沟道处的溅射率就越大,最终导致沟道处的靶材更快被溅穿。由于铁磁性靶材内部通过的磁力线远远多于普通靶材,所以其磁力线外泻的更多,磁力线中轴处的磁场强度更大,沟道处的溅射刻蚀速率更快。

磁控溅射铁磁性靶材存在的问题

图2 铁磁性靶材溅射时的等离子体磁聚现象F-靶材表面众多磁力线的一条

(a) 靶面上部的磁力线通道;(b) 开始溅射时的靶材磁场;(c) 溅射一段时间之后的靶材磁场;(d) 即将刻蚀透的靶材磁场

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