一種全靶腐蝕磁控濺射設備

　　傳統的磁控濺射設備由于等離子體在靶面形成跑道效應, 所以存在著(zhù)靶材利用率低, 反應濺射過(guò)程中穩定性差的問(wèn)題。M.J. Thwaites 提出了一種利用磁場(chǎng)將等離子體產(chǎn)生與濺射分開(kāi)的結構, 本文基于這種結構構造了一個(gè)實(shí)驗平臺對其進(jìn)行了研究, 實(shí)現了全靶腐蝕, 提高了系統的穩定性。

　　磁控濺射技術(shù)有著(zhù)很廣泛的用途, 在這些應用中, 由于傳統的磁控濺射技術(shù)存在著(zhù)一些固有的不足, 最顯著(zhù)的問(wèn)題是等離子體在靶面形成跑道, 所以存在著(zhù)靶材利用率低, 反應過(guò)程尤其是在進(jìn)行反應濺射過(guò)程中很不穩定。要從根本上解決上述的問(wèn)題則必須使等離子體能夠在靶面形成靶面全腐蝕。通常有兩種方法達到靶面全腐蝕的目的： (a)將靶設計成閉合等離子體跑道的形狀, 如圓錐形等離子體磁控管;(b) 掃描產(chǎn)生閉合磁控管放電的磁鐵, 如全腐蝕矩形靶和圓柱形平面式磁控濺射靶。

　　此外, 還有一種與常規的磁控濺射有很大區別的思路, 就是將等離子體的產(chǎn)生與靶材的濺射過(guò)程分開(kāi)。1989 年Gregor Campbell 就提出了這種結構。它的離子源部分采用的是螺旋波的天線(xiàn)結構, 盡管等離子體的離化率很高, 但是結構復雜。2000 年M.J. Thwaites 采用了一種更為簡(jiǎn)單的天線(xiàn)結構來(lái)開(kāi)發(fā)設備, 該設備具有濺射中濺射電流出現飽和現象、濺射電流隨濺射功率的增加而增加和全靶腐蝕的特性, 在反應磁控濺射中有很大的應用。本文通過(guò)對M.J. Thwaites 方法的分析,由此構造了一個(gè)實(shí)驗平臺進(jìn)行了初步試驗研究。

1、實(shí)驗原理

　　M.J. Thwaites 的高利用率等離子體濺射方法的原理圖如下圖所示, 它由三部分組成: 等離子體的產(chǎn)生部分、等離子體到靶表面的輸運過(guò)程、等離子體對靶的濺射過(guò)程。

圖1 等離子體濺射方法的原理圖

　　產(chǎn)生等離子的方法有多種, 例如電感耦合等離子體, 電容耦合等離子體, 微波等離子體和螺旋波等離子體等等。設備中采用了電感耦合等離子體方式。射頻線(xiàn)圈、射頻電源、石英管構成產(chǎn)生離子源的裝置。石英管中通入Ar 氣后, 在射頻電源和射頻線(xiàn)圈的作用下產(chǎn)生等離子體。將靠近石英管的直流線(xiàn)圈定義為發(fā)射線(xiàn)圈, 靠近靶的部分定義為偏轉線(xiàn)圈。由于發(fā)射線(xiàn)圈的存在, 使之與單一的電感耦合等離子體有一些不同, 它提高了等離子體的電離率, 在試驗中可以看到等離子體在加發(fā)射線(xiàn)圈電流后明顯發(fā)亮。

　　石英管中產(chǎn)生的等離子體在直流偏壓的作用下到達靶表面進(jìn)行濺射。而發(fā)射電磁線(xiàn)圈和偏轉電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)將約束等離子體使其在空間形成從石英管到濺射靶的連續的等離子體。流過(guò)線(xiàn)圈的電流決定了線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的大小, 磁場(chǎng)的方向。所以由發(fā)射電磁線(xiàn)圈和偏轉電磁線(xiàn)圈在真空室內形成的空間磁場(chǎng)的強度和分度就顯得很重要。由于兩個(gè)方向相反的磁場(chǎng)在空間中會(huì )相互抵消, 所以?xún)蓚�(gè)電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向必須一致。

2、實(shí)驗平臺設計和實(shí)驗結果分析

2.1、實(shí)驗平臺設計

　　試驗平臺中, 產(chǎn)生等離子體的具體部分由石英管, 與石英管同心的射頻線(xiàn)圈, 射頻電源和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )組成。射頻電源采用頻率為13.56 MHz,功率為500W。石英管一端連入真空室, 一端通氣體, 射頻線(xiàn)圈以圓的銅管繞成, 運行時(shí)銅管通冷水, 限制其發(fā)熱和穩定表面電阻。濺射靶接直流偏壓電源的負極進(jìn)行濺射。

　　本文中利用ANSYS 對發(fā)射電磁線(xiàn)圈和偏轉電磁線(xiàn)圈在真空室內形成的磁場(chǎng)分布和磁場(chǎng)強度進(jìn)行了模擬。圖2 和圖3 分別為是兩個(gè)直流線(xiàn)圈磁場(chǎng)方向一致時(shí)在真空室產(chǎn)生的磁場(chǎng)的分布和沿路徑地磁場(chǎng)強度分布。圖中沒(méi)有箭頭的那條線(xiàn)極為定義的路徑, 用于觀(guān)察磁場(chǎng)強度在空間的分布。由圖2的磁場(chǎng)分布可以看出當兩個(gè)直流線(xiàn)圈方向一致時(shí)能夠產(chǎn)生約束等離子體連續的磁場(chǎng)。沿路徑所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強度最高為529 Gauss, 最低為209 Gauss�？梢�(jiàn)磁場(chǎng)強度達到了發(fā)射線(xiàn)圈為50 Gauss, 偏轉線(xiàn)圈為500 Gauss 的要求。圖4 和圖5 分別為是兩個(gè)直流線(xiàn)圈磁場(chǎng)方向不一致時(shí)在真空室產(chǎn)生的磁場(chǎng)的分布和沿路徑地磁場(chǎng)強度分布�？梢钥吹酱艌�(chǎng)分布是不連續的, 沿路徑的磁場(chǎng)強度最高為482 Gauss,最低為91 Gauss, 盡管磁場(chǎng)強度滿(mǎn)足要求, 但是由于磁場(chǎng)分布的不連續, 所以不會(huì )約束形成連續的等離子體。

圖2 兩個(gè)直流線(xiàn)圈磁場(chǎng)方向一致時(shí)真空室內的磁場(chǎng)分布仿真　圖3 兩個(gè)直流線(xiàn)圈磁場(chǎng)方向一致時(shí)真空室內磁場(chǎng)沿路徑的強度分布　圖4 兩個(gè)直流線(xiàn)圈磁場(chǎng)方向不一致時(shí)真空室內的磁場(chǎng)分布仿真　圖5 兩個(gè)直流線(xiàn)圈磁場(chǎng)方向不一致時(shí)真空室內磁場(chǎng)沿路徑的強度分布

　　在上述裝置的基礎上再加上真空系統就構成了試驗平臺。采用不銹鋼為靶材我們針對M.J. Thwaites 提出的設備的特性進(jìn)行了有關(guān)濺射電壓和濺射電流關(guān)系的幾組實(shí)驗。