本文設(shè)計(jì)了一種新型圓形平面陰極磁控濺射源。該源具有獨(dú)特的三極線圈結(jié)構(gòu),改變各線圈勵(lì)磁電流可調(diào)節(jié)靶面磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小和分布。通過對(duì)系統(tǒng)氣體放電伏安特性隨各線圈勵(lì)磁電流大小變化規(guī)律的分析,以及對(duì)距靶面60mm 基片臺(tái)處等離子體束流密度大小和分布的測(cè)試,探討了陰極磁場(chǎng)分布對(duì)磁控濺射系統(tǒng)伏安特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明陰極磁場(chǎng)分布模式對(duì)氣體放電穩(wěn)定性和等離子體分布影響顯著,當(dāng)陰極磁場(chǎng)呈現(xiàn)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(tái)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(diào)節(jié)非平衡線圈勵(lì)磁電流,在附加磁場(chǎng)的作用下,陰極磁場(chǎng)呈現(xiàn)發(fā)散型分布,二次電子被引向基片臺(tái)附近,使得基片臺(tái)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(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(tǒng)控制方便,工藝穩(wěn)定,更適合于工業(yè)化生產(chǎn)要求。因此,近年來被廣泛用于力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等各種功能材料薄膜的制備。然而,在常規(guī)的磁控濺射系統(tǒng)中,由于磁場(chǎng)對(duì)二次電子的控制過于嚴(yán)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?yōu)R射源內(nèi)外磁極的磁場(chǎng)強(qiáng)度,調(diào)整等離子體的分布,部分克服了常規(guī)磁控濺射的缺點(diǎn)。隨著非平衡磁控濺射技術(shù)在TiN ,DLC 等薄膜制備中的成功應(yīng)用 ,這種新的設(shè)計(jì)思想逐漸為研究者廣泛關(guān)注,通過改變磁控濺射陰極源磁路結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)產(chǎn)生方式,設(shè)計(jì)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(chǔ)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(lì)磁電流大小,控制磁場(chǎng)強(qiáng)度和工作模式的方法,初步研究了磁場(chǎng)分布的變化對(duì)陰極源氣體放電特性的影響。

1、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　實(shí)驗(yàn)采用靶面直徑300mm 平面圓形磁控濺射,靶材選用不導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(dú)特的三極結(jié)構(gòu),其心部磁極和中部磁極的勵(lì)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(jié)構(gòu),因此這兩個(gè)線圈稱之為平衡線圈,外部的勵(lì)磁線圈可使磁控濺射源工作于非平衡工作狀態(tài),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(nèi)調(diào)節(jié),通過調(diào)整電流的大小,可以實(shí)現(xiàn)控制靶面磁場(chǎng)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(shí)驗(yàn)中,只有內(nèi)部平衡線圈工作時(shí)磁控源工作處于平衡模式,內(nèi)外線圈同時(shí)工作則為非平衡模式。為了比對(duì)兩種模式下線圈電流大小對(duì)磁場(chǎng)分布的影響,采用CT3 特斯拉計(jì)對(duì)不同狀態(tài)下靶面1cm 處水平磁場(chǎng)的大小進(jìn)行了測(cè)量。

　　實(shí)驗(yàn)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(tǒng)的真空度和氣體流量分別由真空計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)來調(diào)節(jié)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(cè)量等離子體束流密度,探針采集器為不銹鋼材料,實(shí)驗(yàn)中,將探針放置在靶前60mm 的基片臺(tái)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(yàn)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(jié)構(gòu)示意圖

3、結(jié)論

　　磁控濺射源陰極磁場(chǎng)分布對(duì)濺射系統(tǒng)的工作特性影響至為重要,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種新型的三級(jí)線圈結(jié)構(gòu)的電磁陰極源,通過調(diào)整電磁線圈電流的大小調(diào)節(jié)靶面磁場(chǎng)的大小和分布,可以有效地影響濺射系統(tǒng)的氣體放電特性和等離子體的密度。研究結(jié)果表明:

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

　　(2) 所設(shè)計(jì)的磁控濺射源具有較高的電子束縛系數(shù),并且隨著電磁線圈電流大小的變化而變化。當(dāng)濺射源磁場(chǎng)呈現(xiàn)收斂型分布時(shí),磁場(chǎng)越強(qiáng),對(duì)二次電子的控制能力就越強(qiáng),但是過高的磁場(chǎng)也會(huì)導(dǎo)致電子束縛系數(shù)的變小;當(dāng)濺射源陰極磁場(chǎng)呈現(xiàn)發(fā)散型分布時(shí),磁場(chǎng)對(duì)二次電子的控制能力也會(huì)隨之下降;

　　(3) 當(dāng)濺射源磁場(chǎng)呈現(xiàn)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(xiàn)發(fā)散型分布時(shí),靶前等離子體束流密度顯著增加,但均勻性較差。