電磁陰極磁場(chǎng)分布對磁控濺射系統伏安特性的影響

　　本文設計了一種新型圓形平面陰極磁控濺射源。該源具有獨特的三極線(xiàn)圈結構,改變各線(xiàn)圈勵磁電流可調節靶面磁場(chǎng)強度的大小和分布。通過(guò)對系統氣體放電伏安特性隨各線(xiàn)圈勵磁電流大小變化規律的分析,以及對距靶面60mm 基片臺處等離子體束流密度大小和分布的測試,探討了陰極磁場(chǎng)分布對磁控濺射系統伏安特性的影響。實(shí)驗結果表明陰極磁場(chǎng)分布模式對氣體放電穩定性和等離子體分布影響顯著(zhù),當陰極磁場(chǎng)呈現收斂型分布時(shí),二次電子被緊密束縛在靶面附近,降低了基片臺附近等離子體束流密度,卻增大等離子體束流徑向分布均勻性。調節非平衡線(xiàn)圈勵磁電流,在附加磁場(chǎng)的作用下,陰極磁場(chǎng)呈現發(fā)散型分布,二次電子被引向基片臺附近,使得基片臺附近等離子體束流密度顯著(zhù)增加但徑向均勻性變差。

　　磁控濺射技術(shù)是目前最重要的薄膜制備技術(shù)之一。與其他薄膜制備技術(shù)相比,磁控濺射系統控制方便,工藝穩定,更適合于工業(yè)化生產(chǎn)要求。因此,近年來(lái)被廣泛用于力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等各種功能材料薄膜的制備。然而,在常規的磁控濺射系統中,由于磁場(chǎng)對二次電子的控制過(guò)于嚴密,使等離子體限制在陰極靶表面附近,造成陰極靶材的利用率和離化率偏低,制備薄膜致密度和附著(zhù)力不夠理想等問(wèn)題。1986 年,Window 提出了“非平衡磁控濺射源”的概念,通過(guò)改變?yōu)R射源內外磁極的磁場(chǎng)強度,調整等離子體的分布,部分克服了常規磁控濺射的缺點(diǎn)。隨著(zhù)非平衡磁控濺射技術(shù)在TiN ,DLC 等薄膜制備中的成功應用 ,這種新的設計思想逐漸為研究者廣泛關(guān)注,通過(guò)改變磁控濺射陰極源磁路結構和磁場(chǎng)產(chǎn)生方式,設計新型的磁控濺射源,成為磁控濺射新技術(shù)研究的一種主要途徑。本文是在磁控濺射裝置的基礎上,研制了一種新型的磁控濺射電磁陰極源,通過(guò)改變電磁線(xiàn)圈勵磁電流大小,控制磁場(chǎng)強度和工作模式的方法,初步研究了磁場(chǎng)分布的變化對陰極源氣體放電特性的影響。

1、實(shí)驗設計

　　實(shí)驗采用靶面直徑300mm 平面圓形磁控濺射,靶材選用不導磁的1Cr18Ni9Ti 不銹鋼材料,循環(huán)水冷卻磁控濺射靶。陰極采用電磁鐵,放置于靶材下部,其結構如圖1 所示,為了能適合大面積沉積薄膜的要求,極磁路采用獨特的三極結構,其心部磁極和中部磁極的勵磁線(xiàn)圈反向串接,通過(guò)匹配心部和中部鐵芯的面積,使心部和中部磁極端面的磁通量相等,形成平衡磁控陰極結構,因此這兩個(gè)線(xiàn)圈稱(chēng)之為平衡線(xiàn)圈,外部的勵磁線(xiàn)圈可使磁控濺射源工作于非平衡工作狀態(tài),稱(chēng)之為非平衡線(xiàn)圈。兩組線(xiàn)圈的電流均可在0～2.5A 的工作范圍內調節,通過(guò)調整電流的大小,可以實(shí)現控制靶面磁場(chǎng)分布。電磁線(xiàn)圈與陰極靶完全絕緣以確保濺射源能安全工作。實(shí)驗中,只有內部平衡線(xiàn)圈工作時(shí)磁控源工作處于平衡模式,內外線(xiàn)圈同時(shí)工作則為非平衡模式。為了比對兩種模式下線(xiàn)圈電流大小對磁場(chǎng)分布的影響,采用CT3 特斯拉計對不同狀態(tài)下靶面1cm 處水平磁場(chǎng)的大小進(jìn)行了測量。

　　實(shí)驗中真空室本底真空為5.0 ×10 ^{- 3} Pa ,工作氣體為氬氣。真空系統的真空度和氣體流量分別由真空計和質(zhì)量流量計來(lái)調節控制,磁控濺射源由額定功率為20kW 的直流磁控電源供電,電源工作在恒流狀態(tài)。采用法拉第探針測量等離子體束流密度,探針采集器為不銹鋼材料,實(shí)驗中,將探針?lè )胖迷诎星?0mm 的基片臺上,平行于陰極靶面以收集離子束流,由于工作中放電會(huì )引起氣壓波動(dòng),實(shí)驗中氬氣流量為控制在180sccm ,工作氣壓在0.3Pa～0.7Pa范圍變化。

圖1 　磁控濺射陰極結構示意圖

3、結論

　　磁控濺射源陰極磁場(chǎng)分布對濺射系統的工作特性影響至為重要,實(shí)驗設計了一種新型的三級線(xiàn)圈結構的電磁陰極源,通過(guò)調整電磁線(xiàn)圈電流的大小調節靶面磁場(chǎng)的大小和分布,可以有效地影響濺射系統的氣體放電特性和等離子體的密度。研究結果表明:

　　(1) 通過(guò)調整線(xiàn)圈的工作狀態(tài),可以方便地實(shí)現磁控濺射源陰極磁場(chǎng)的調制,使濺射源在不同的工作模式下工作;

　　(2) 所設計的磁控濺射源具有較高的電子束縛系數,并且隨著(zhù)電磁線(xiàn)圈電流大小的變化而變化。當濺射源磁場(chǎng)呈現收斂型分布時(shí),磁場(chǎng)越強,對二次電子的控制能力就越強,但是過(guò)高的磁場(chǎng)也會(huì )導致電子束縛系數的變小;當濺射源陰極磁場(chǎng)呈現發(fā)散型分布時(shí),磁場(chǎng)對二次電子的控制能力也會(huì )隨之下降;

　　(3) 當濺射源磁場(chǎng)呈現收斂型分布時(shí), 靶前60mm 處等離子體束流密度較低,但均勻性較好,而濺射源磁場(chǎng)呈現發(fā)散型分布時(shí),靶前等離子體束流密度顯著(zhù)增加,但均勻性較差。