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圈結構,改變各線圈勵磁電流可調節靶面磁場強度的大小和分布。通過對系統氣體放電伏安特性隨各線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,探討了陰極磁場分布對磁控濺射系統伏安特性的影響。實驗結果表明陰極磁場分布模式對氣體放電穩定性和等離子體分布影響顯著,當陰極磁場呈現收斂型分布時,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。調節非平衡線圈勵磁電流,在附加磁場的作用下,陰極磁場呈現發散型分布,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增加但徑向均勻性變差。

　　磁控濺射技術是目前最重要的薄膜制備技術之一。與其他薄膜制備技術相比,磁控濺射系統控制方便,工藝穩定,更適合于工業化生產要求。因此,近年來被廣泛用于力學、光學、電學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,由于磁場對二次電子的控制過于嚴密,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力不夠理想等問題。1986 年,Window 提出了“非平衡磁控濺射源”的概念,通過改變濺射源內外磁極的磁場強度,調整等離子體的分布,部分克服了常規磁控濺射的缺點。隨著非平衡磁控濺射技術在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注,通過改變磁控濺射陰極源磁路結構和磁場產生方式,設計新型的磁控濺射源,成為磁控濺射新技術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,通過改變電磁線圈勵磁電流大小,控制磁場強度和工作模式的方法,初步研究了磁場分布的變化對陰極源氣體放電特性的影響。

1、實驗設計

　　實驗采用靶面直徑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圈反向串接,通過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,因此這兩個線圈稱之為平衡線圈,外部的勵磁線圈可使磁控濺射源工作于非平衡工作狀態,稱之為非平衡線圈。兩組線圈的電流均可在0～2.5A 的工作范圍內調節,通過調整電流的大小,可以實現控制靶面磁場分布。電磁線圈與陰極靶完全絕緣以確保濺射源能安全工作。實驗中,只有內部平衡線圈工作時磁控源工作處于平衡模式,內外線圈同時工作則為非平衡模式。為了比對兩種模式下線圈電流大小對磁場分布的影響,采用CT3 特斯拉計對不同狀態下靶面1cm 處水平磁場的大小進行了測量。

　　實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量流量計來調節控制,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。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,實驗中,將探針放置在靶前60mm 的基片臺上,平行于陰極靶面以收集離子束流,由于工作中放電會引起氣壓波動,實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分布對濺射系統的工作特性影響至為重要,實驗設計了一種新型的三級線圈結構的電磁陰極源,通過調整電磁線圈電流的大小調節靶面磁場的大小和分布,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) 通過調整線圈的工作狀態,可以方便地實現磁控濺射源陰極磁場的調制,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,并且隨著電磁線圈電流大小的變化而變化。當濺射源磁場呈現收斂型分布時,磁場越強,對二次電子的控制能力就越強,但是過高的磁場也會導致電子束縛系數的變小;當濺射源陰極磁場呈現發散型分布時,磁場對二次電子的控制能力也會隨之下降;

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