閉合磁場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍離化特性研究
應用閉合磁場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍系統，研究了濺射靶電流、偏壓和Ar 流量對偏流密度的影響。結果表明，偏流密度隨著(zhù)偏壓和靶電流的升高而增大，但隨偏壓的提高偏流密度的增加趨勢趨于平緩；偏流密度隨著(zhù)Ar 流量的增大而出現峰值。
磁控濺射離子鍍（MSIP）是一種把磁控濺射和離子鍍結合起來(lái)的技術(shù)，它在同一裝置內既實(shí)現了氬離子對磁控靶（鍍料）的穩定濺射，又實(shí)現了高能靶材（鍍料）離子在基片負偏壓作用下到達基片進(jìn)行轟擊、濺射、注入及沉積的過(guò)程。
離化率是指被電離的原子占全部濺射原子的百分比，是磁控濺射離子鍍過(guò)程中的一個(gè)重要指標。特別是在活性反應離子鍍時(shí)，離化率直接反映等離子體的活化程度。濺射原子和反應氣體的離化程度對鍍層的各種性質(zhì)，如附著(zhù)力、硬度、耐熱耐蝕性、結晶結構等，都產(chǎn)生直接的影響。
如何提高等離子體的密度或電離度，以降低氣體放電的阻抗，從而在相同的放電功率下獲得更大的電流，也就是獲得更多的離子轟擊靶材和基體，關(guān)鍵在于如何充分的利用電子的能量，使其最大限度地用于電離。不同離子鍍方法因電離和激發(fā)方式不同，其離化率也差別較大。閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)是在普通磁控濺射技術(shù)基礎上發(fā)展起來(lái)的一種新型磁控濺射鍍膜技術(shù)，它是對普通磁控濺射技術(shù)進(jìn)行設備改良和工藝完善的產(chǎn)物。一塊磁控靶的N 極對應另一塊靶的S 極，即閉合式結構，閉合式結構將靶系統邊緣上的磁力線(xiàn)閉合在兩塊靶之間，構成逃逸電子的“閉合阱”，等離子體區域被有效限制在真空室中間區域，即基體所在區域，這樣一方面，濺射出來(lái)的原子和粒子沉積在基片表面形成薄膜，另一方面，等離子體以一定的能量轟擊基片，起到離子束輔助沉積的作用，極大地改善了薄膜質(zhì)量。因此，不僅具有普通磁控濺射（MS）過(guò)程穩定、控制方便和大面積膜厚均勻性的特點(diǎn)，而且克服了基片附近離子密度小的缺點(diǎn)，容易獲得附著(zhù)力好、致密度高的薄膜，也避免了過(guò)高的內應力。
偏流密度是離子鍍中的重要參數之一，偏壓一定時(shí)可反映整個(gè)離子鍍過(guò)程的離化特征，研究偏流密度的變化規律和影響因素有助于優(yōu)化薄膜的質(zhì)量。本文在閉合磁場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)條件下，系統研究了不同偏壓條件下靶電流和氬氣流量對偏離密度的影響規律，為應用閉合磁場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)制備高質(zhì)量薄膜提供基礎理論依據。
1、試驗材料和方法
采用的閉合磁場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍設備是由浙江匯錦梯爾鍍層科技有限公司生產(chǎn)的UDP- 650/4 設備，濺射氣體為氬氣，靶材為純度99.9%的10 mm 厚矩形Cr 靶。濺射背底真空2×10- 5 Torr( 真空單位分不清？那就在線(xiàn)轉換吧：真空單位在線(xiàn)換算)， 濺射氣壓5×10- 3 Torr， 氬氣流量在10~60 sccm 間每隔5 sccm 變化，濺射靶電流分別設定為3 A、4 A 和5 A，偏壓從- 30 V 到- 90 V 每隔10 V 變化。在上述試驗條件下記錄偏流值，測定工件架（陰極）表面積后計算出偏流密度。
2、試驗結果與分析
2.1、閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍高離化率特點(diǎn)分析
圖1 為試驗用閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍設備的結構示意圖，四個(gè)靶兩兩相對放置，每個(gè)靶的背面各安置兩個(gè)磁性相反的磁極，構成一個(gè)封閉磁場(chǎng)，防止電子的逃逸；每個(gè)靶的磁極的磁場(chǎng)強度不同，使磁場(chǎng)構成一個(gè)非平衡磁場(chǎng)，擴大了等離子區；在支架上加一定值的負偏壓，使濺射的靶材離子能夠有效的轟擊基體；另外，在靶材和爐體之間加一定量的電壓，爐體接地。
圖1 閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍結構示意圖
3、結論
通過(guò)對閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍系統各項數值的檢測，偏壓、靶電流和氬氣流量均對偏流密度產(chǎn)生影響，通過(guò)實(shí)驗結果和分析可得到如下結論：隨著(zhù)負偏壓的增加，偏流密度呈現增加趨勢，但逐漸平緩；隨著(zhù)氬氣流量的增加，偏流密度呈現先增加后緩慢減小的趨勢；隨著(zhù)靶電流的增加，偏流密度呈現迅速增大趨勢；并且，與偏壓和氬氣流量相比，靶電流對偏流密度的影響較大。
因此，利用閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍進(jìn)行鍍膜時(shí)，要想獲得較大的偏流密度，可以提高偏壓，但偏壓太高，又會(huì )使離子的動(dòng)能增加，把沉積在基體上的薄膜濺射掉；也可以選擇較小的氬氣流量，但此時(shí)，會(huì )使靶材的濺射率降低；當然可以提高靶電流，但會(huì )受到輸入功率的限制。所以，在實(shí)際工作中，應該全面考慮每個(gè)參數，以獲取所需性能的薄膜。
