新型等離子體束濺射鍍膜機

　　現有的薄膜制備技術(shù)方法有蒸發(fā)法、濺射法、化學(xué)氣相沉積、電鍍法等。在濺射法中，磁控濺射是使用較為廣泛的一種方法。與傳統的二極濺射相比，磁控濺射除了可以在較低工作壓強下得到較高的沉積率以外，它也可以在較低基片溫度下獲得高質(zhì)量的薄膜。但由于靶源磁場(chǎng)分布的不均勻性，致使其靶材在濺射完成后會(huì )形成刻蝕跑道，而靶面由于這種非均勻的刻蝕會(huì )形成靶中毒現象，中毒區域的濺射會(huì )不可避免地導致成膜摻雜，致使膜的成分不均勻。相應的濺射靶材的利用率也非常的低，通常只有30%以下。

　　新型的等離子體束濺射鍍膜法巧妙地組合了濺射鍍膜和等離子體發(fā)生控制技術(shù)，并有效地解決了磁控濺射中靶材利用率低和刻蝕跑道的問(wèn)題。本文提供了這種新型的真空鍍膜技術(shù)方案，即采用等離子體源、等離子體聚束線(xiàn)圈及偏壓電源組成的等離子體束濺射鍍膜機，并應用該濺射鍍膜機成功進(jìn)行了試驗，得到了刻蝕極其均勻的靶材，提高了靶材的利用率。

1、系統組成與特點(diǎn)

1.1、系統組成

　　等離子體束濺射鍍膜機主要由射頻等離子體源、真空獲得系統、電磁線(xiàn)圈（發(fā)射線(xiàn)圈及匯聚線(xiàn)圈）、偏壓電源、真空室（包括靶材及基片等）、真空控制系統等部分構成。其顯著(zhù)特點(diǎn)是它的等離子體發(fā)生控制系統，其示意圖如圖1 所示。等離子體發(fā)生控制系統是鍍膜機中的關(guān)鍵部分，其中射頻等離子體源位于真空室的側面，并在等離子體源的出口處及濺射靶材的下方分別配置有一個(gè)電磁線(xiàn)圈。當兩個(gè)線(xiàn)圈同向通過(guò)電流時(shí)，線(xiàn)圈合成的磁場(chǎng)將引導等離子體源中產(chǎn)生的電子沿磁場(chǎng)方向運動(dòng)，從而使等離子體束被約束在磁場(chǎng)方向上。同時(shí)靶材加有負偏壓，使濺射離子在電場(chǎng)的作用下加速撞擊靶表面，產(chǎn)生濺射作用。

圖1 等離子體發(fā)生控制系統

　　這種鍍膜機具有非常靈活的控制方式，例如濺射速率可以通過(guò)調節靶材偏壓和改變等離子體源的射頻功率這兩種途徑進(jìn)行調節。等離子體發(fā)生裝置與真空室的分離設計是實(shí)現濺射工藝參數寬范圍可控的關(guān)鍵，而這種參數闊范圍的可控性使得特定的應用能夠獲得最優(yōu)化的工藝參數。此外，還可以通過(guò)控制系統的真空度來(lái)進(jìn)行濺射速率的調節。

　　圖2中所示曲線(xiàn)為靶電流與偏壓曲線(xiàn)、恒定電流密度時(shí)濺射速率與靶偏壓的關(guān)系，其中恒定電流時(shí)射頻功率為500W。

圖2 靶電流與靶偏壓的關(guān)系、恒定電流時(shí)濺射速率與靶偏壓的關(guān)系

1.2、系統特點(diǎn)

　　在等離子體束濺射中，濺射離子均勻刻蝕靶面，并且不會(huì )使靶面產(chǎn)生氧化。與磁控濺射相比，其中的等離子體束是由射頻等離子體源產(chǎn)生的，磁場(chǎng)的作用則是使等離子體束會(huì )聚并偏轉至靶面，因此，雖然等離子體束濺射鍍膜系統內也有磁場(chǎng)，但其磁場(chǎng)卻并不控制影響濺射，這也摒棄了磁控濺射中由磁場(chǎng)不均勻帶來(lái)的“磁控”的缺點(diǎn)。在濺射完成后，所得的靶材利用率可高達90%以上。圖3 即分別進(jìn)行磁控濺射和等離子體束濺射之后靶面刻蝕的對比圖。由于靶材的利用率大幅度提高，也解決了磁控濺射中所難以克服的缺點(diǎn)，即靶中毒導致的刻蝕不均勻

　　此外，磁控濺射由于背面磁鐵磁場(chǎng)不均勻而產(chǎn)生濺射跑道，非磁場(chǎng)約束區很容易產(chǎn)生氧化，因此很難沉積鐵磁性材料，而等離子體束濺射中由于不用磁鐵作為等離子體約束，能夠進(jìn)行鐵磁性材料的鍍膜，并且可以使用很厚的靶材，圖3中實(shí)驗金屬鈷的厚度即為6mm。對于鐵、鎳、鉻以及鐵磁性化合物，等離子體束濺射也都具有很高的濺射速率。

　　應用該項鍍膜技術(shù)的系統還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，當將電磁線(xiàn)圈的極性反接時(shí)，由于磁場(chǎng)的方向產(chǎn)生了變化，等離子體束會(huì )在磁場(chǎng)的作用下轟擊基片，從而對基片產(chǎn)生清洗作用,如圖4 所示。這實(shí)際上可以使得應用該項技術(shù)的鍍膜機省略常規鍍膜機的清洗用離子源。

圖3 磁控濺射靶面刻蝕與等離子體束濺射靶面刻蝕對比和靶材利用率低。圖4 基片清洗過(guò)程