傳統的磁控濺射設備由于等離子體在靶面形成跑道效應, 所以存在著靶材利用率低, 反應濺射過程中穩定性差的問題。M.J. Thwaites 提出了一種利用磁場將等離子體產生與濺射分開的結構, 本文基于這種結構構造了一個實驗平臺對其進行了研究, 實現了全靶腐蝕, 提高了系統的穩定性。

　　磁控濺射技術有著很廣泛的用途, 在這些應用中, 由于傳統的磁控濺射技術存在著一些固有的不足, 最顯著的問題是等離子體在靶面形成跑道, 所以存在著靶材利用率低, 反應過程尤其是在進行反應濺射過程中很不穩定。要從根本上解決上述的問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生與靶材的濺射過程分開。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 采用了一種更為簡單的天線結構來開發設備, 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。本文通過對M.J. Thwaites 方法的分析,由此構造了一個實驗平臺進行了初步試驗研究。

1、實驗原理

　　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: 等離子體的產生部分、等離子體到靶表面的輸運過程、等離子體對靶的濺射過程。

圖1 等離子體濺射方法的原理圖

　　產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。射頻線圈、射頻電源、石英管構成產生離子源的裝置。石英管中通入Ar 氣后, 在射頻電源和射頻線圈的作用下產生等離子體。將靠近石英管的直流線圈定義為發射線圈, 靠近靶的部分定義為偏轉線圈。由于發射線圈的存在, 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射線圈電流后明顯發亮。

　　石英管中產生的等離子體在直流偏壓的作用下到達靶表面進行濺射。而發射電磁線圈和偏轉電磁線圈產生的空間磁場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。流過線圈的電流決定了線圈產生的磁場的大小, 磁場的方向。所以由發射電磁線圈和偏轉電磁線圈在真空室內形成的空間磁場的強度和分度就顯得很重要。由于兩個方向相反的磁場在空間中會相互抵消, 所以兩個電磁線圈產生的磁場方向必須一致。

2、實驗平臺設計和實驗結果分析

2.1、實驗平臺設計

　　試驗平臺中, 產生等離子體的具體部分由石英管, 與石英管同心的射頻線圈, 射頻電源和阻抗匹配網絡組成。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, 射頻線圈以圓的銅管繞成, 運行時銅管通冷水, 限制其發熱和穩定表面電阻。濺射靶接直流偏壓電源的負極進行濺射。

　　本文中利用ANSYS 對發射電磁線圈和偏轉電磁線圈在真空室內形成的磁場分布和磁場強度進行了模擬。圖2 和圖3 分別為是兩個直流線圈磁場方向一致時在真空室產生的磁場的分布和沿路徑地磁場強度分布。圖中沒有箭頭的那條線極為定義的路徑, 用于觀察磁場強度在空間的分布。由圖2的磁場分布可以看出當兩個直流線圈方向一致時能夠產生約束等離子體連續的磁場。沿路徑所產生的磁場強度最高為529 Gauss, 最低為209 Gauss。可見磁場強度達到了發射線圈為50 Gauss, 偏轉線圈為500 Gauss 的要求。圖4 和圖5 分別為是兩個直流線圈磁場方向不一致時在真空室產生的磁場的分布和沿路徑地磁場強度分布。可以看到磁場分布是不連續的, 沿路徑的磁場強度最高為482 Gauss,最低為91 Gauss, 盡管磁場強度滿足要求, 但是由于磁場分布的不連續, 所以不會約束形成連續的等離子體。

圖2 兩個直流線圈磁場方向一致時真空室內的磁場分布仿真　圖3 兩個直流線圈磁場方向一致時真空室內磁場沿路徑的強度分布　圖4 兩個直流線圈磁場方向不一致時真空室內的磁場分布仿真　圖5 兩個直流線圈磁場方向不一致時真空室內磁場沿路徑的強度分布

　　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行了有關濺射電壓和濺射電流關系的幾組實驗。