濺射鍍膜是物理氣相沉積(PV D )的重要方法之一，它是在真空室中利用荷能離子轟擊靶表面，使被轟擊出的靶材粒子沉積在基片上的成膜技術(shù)，包括二極濺射［1］、三極(或四極濺射)［2，3］、磁控濺射［4，5］、對(duì)向靶濺射［6］等。磁控濺射具有基片溫升低和成膜快兩大特點(diǎn)，因而在機(jī)械、電子、能源、信息等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
1、 磁控濺射的基本工作原理
磁控濺射是在二極濺射的基礎(chǔ)上以增加磁場(chǎng)來(lái)改變電子的運(yùn)動(dòng)方向，束縛和延長(zhǎng)電子運(yùn)動(dòng)軌跡，從而提高電子對(duì)工作氣體的電離幾率和有效利用電子的能量。因此，在形成高密度等離子體的異常輝光放電中，正離子對(duì)靶材轟擊引起的靶材濺射更為有效。受正交電磁場(chǎng)束縛的電子，只能在能量將要耗盡時(shí)才能沉積在基片上，使磁控濺射具有高速、低溫兩大特點(diǎn)。
電子在電場(chǎng)E作用下加速飛向基片的過(guò)程中與氬原子發(fā)生碰撞。若電子具有足夠的能量(約為30eV )時(shí)，則可電離出A r＋和另一個(gè)電子，電子飛向基片，A r＋在電場(chǎng)E作用下加速飛向陰極(濺射靶)，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射。在濺射粒子中，中性靶原子(或分子)沉積在基片上形成薄膜；二次電子e1在加速飛向基片時(shí)受磁場(chǎng)B的洛侖茲力作用，以擺線和螺旋線狀的復(fù)合形式在靶表面作圓周運(yùn)動(dòng)。該電子的運(yùn)動(dòng)路徑不僅很長(zhǎng)，而且被電磁場(chǎng)束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)中電離出大量的A r＋離子用來(lái)轟擊靶材，從而具有磁控濺射沉積速率高的特點(diǎn)。隨著碰撞次數(shù)的增加，電子e1的能量逐漸降低并遠(yuǎn)離靶面。低能電子e1將按圖1所示那樣沿著磁力線來(lái)回振蕩，待電子能量將耗盡時(shí)，在電場(chǎng)E的作用下最終沉積在基片上。由于該電子能量很低，傳給基片的能量很小，致使基片的溫升較低。在磁極軸線處，由于電場(chǎng)與磁場(chǎng)平行，電子e2將直接飛向基片。但在磁控濺射裝置中，磁極軸線處離子密度很低，所以e2類電子很少，對(duì)基片溫升作用不大。
2、 磁控濺射靶源的設(shè)計(jì)制作
磁控濺射鍍膜機(jī)最重要的部件是陰極靶，為整機(jī)的“心臟”。對(duì)它的設(shè)計(jì)一方面要考慮靶面的磁場(chǎng)分布和靶材的利用率；另一方面要考慮導(dǎo)電、導(dǎo)熱、冷卻、密封和絕緣。我們?cè)O(shè)計(jì)和制作的靶如圖2所示，靶墊起導(dǎo)電導(dǎo)熱作用，使整個(gè)靶面能均勻冷卻，防止高能離子擊穿靶進(jìn)而轟擊冷卻水套引起漏水事故，特別是貴金屬薄靶。鋁靶和靶墊的直徑為118mm，厚度為5mm；磁鐵由環(huán)狀鐵氧體永久磁鐵和位于中心的圓柱體鐵芯構(gòu)成，它決定著靶面磁場(chǎng)的分布和濺射環(huán)的寬窄(靶材的利用率)。
環(huán)形磁鐵的內(nèi)外徑分別為78mm，118mm；圓柱鐵芯直徑為28mm，二者的高均為55mm ；銅制環(huán)狀冷卻水套的壁厚為5mm，過(guò)直徑對(duì)稱地焊接兩個(gè)外徑12mm，壁厚3mm的銅管分別作為進(jìn)出水管。組裝時(shí)，使水套、環(huán)狀磁鐵及鐵芯緊密配合，并使上表面在同一平面內(nèi)，以便達(dá)到最佳冷卻效果；軛鐵由直徑118mm，厚10mm的鐵板構(gòu)成，下部的磁場(chǎng)短路，以增強(qiáng)靶表面磁場(chǎng)強(qiáng)度及均勻性。
3、 濺射工藝研究
3.1 靶面水平磁場(chǎng)的分布
靶面水平磁場(chǎng)的分布是構(gòu)成圓形平面磁控濺射靶源的關(guān)鍵，一般要求最大水平磁場(chǎng)為200～400Gs，最佳值為300Gs。我們用CT—5型直流高斯計(jì)測(cè)量了靶面水平磁場(chǎng)的分布，其結(jié)果如圖3所示，磁場(chǎng)強(qiáng)度310Gs，為最佳值。靶電壓、靶電流隨氬氣壓的變化關(guān)系如圖4，圖5所示。
3.2 氬氣壓強(qiáng)對(duì)放電電壓及靶電流的影響
調(diào)整靶基距離為50mm，將真空室(直徑450mm，高500mm)抽至2.6×10-3Pa，充氬氣(純度99.98% )到2.6×10-1Pa，加靶壓到-500 V (靶流220mA )后增加氬壓強(qiáng)(用自動(dòng)壓強(qiáng)控制儀測(cè)量氬氣壓)，測(cè)得靶電壓、靶電流隨氬氣壓的變化關(guān)系分別如圖4，圖5所示。
由圖可以看出，隨氬氣壓強(qiáng)的增加，靶電壓減小，靶電流增加。這是由于氬氣增加，氣體放電等離子體的密度增加，正負(fù)離子增加，等效電阻減小，故靶電壓減小，靶電流增加。
3.3 不同氬氣壓下的放電電流與電壓關(guān)系
調(diào)整靶基距離為50mm，清洗烘干玻璃基片并放在基體架上(鋁制)，真空室抽至2.6×10-3Pa后，充氬氣分別為0.2，0.6，1.0Pa，測(cè)得放電流隨陰極靶電壓的變化曲線如圖6所示。
對(duì)一定氣壓，放電電流隨靶電壓的增加而增加；對(duì)一定的靶電壓，氣壓越高，放電電流越大；對(duì)一定的放電電流，氣壓越高，靶電壓越低。
參考文獻(xiàn)：
[1]陳寶清．離子鍍膜及濺射技術(shù)［M ］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1990．
[2]張建民．直流三極偏壓濺射沉積碳化鈦膜［J］．真空，1994，(1)：29～31．
[3]張建民．氮分壓對(duì)三極反應(yīng)濺射氮化鈦膜的影響［J］．陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1995，23(2)：121～122．
[4]田民波，劉德令．薄膜科學(xué)與技術(shù)手冊(cè)［S］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991．
[5]Thorm ton J A .M agnetron sputtering:basic physics and application to cylindrical m agnetrons［J］.J V ac Sci Technol,1978,15(2):171～177．
[6]W indow B.Recent advances in sputter deposition［J］.Surface and C oatingTechnology,1995,71:93～97．
作者簡(jiǎn)介：張建民，男，37歲，講師
作者單位：張建民 陜西師范大學(xué)物理學(xué)系，陜西 西安 710062；
王 立 梁昌慧 咸陽(yáng)師范專科學(xué)校物理學(xué)系，陜西 咸陽(yáng) 712000
相關(guān)鏈接
