磁控濺射靶源設(shè)計及濺射工藝研究

1、第27卷第1期陜西師范大學學報(自然科學版 1999年3月Jou rnal of Shaanx i N o rm al U n iversity (N atu ral Science Editi on . 27N o . 1V o l M ar . 1999張建民1, 王立2, 2(12, 712000; 用CT 5型高斯計測, 給出靶電壓和靶電流隨濺射氬氣壓(3. 0×10-19. 0×10-1Pa 的變化曲線和3種不同氣壓(1. 0, 0. 6, 0. 2Pa 下的伏安特性曲線; 在玻璃基體上制備了高純鋁、銅和鈦膜. 結(jié)果表明, 該靶源可得到最佳磁場分布, 且結(jié)構(gòu)簡單、

2、更換靶材方便、濺射電壓和氣壓低、成膜速度快、基體溫升低.關(guān)鍵詞:磁控濺射; 靶源; 設(shè)計制作中圖分類號:O 44115文獻標識碼:A 文章編號:100123857(1999 0120036203濺射鍍膜是物理氣相沉積(PVD 的重要方法之一, 它是在真空室中利用荷能離子轟擊靶表面, 使被轟擊出的靶材粒子沉積在基片上的成膜技術(shù), 包括二極濺射1、三極(或四極濺射 2, 3、磁控濺射4, 5、對向靶濺射6等. 磁控濺射具有基片溫升低和成膜快兩大特點, 因而在機械、電子、能源、信息等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.1磁控濺射的基本工作原理磁控濺射是在二極濺射的基礎(chǔ)上以增加磁場來改變電子的運動方向, 束縛和延長電子

3、運動軌跡, 從而提高電子對工作氣體的電離幾率和有效利用電子的能量. 因此, 在形成高密度等離子體的異常輝光放電中, 正離子對靶材轟擊引起的靶材濺射更為有效. 受正交電磁場束縛的電子, 只能在能量將要耗盡時才能沉積在基片上, 使磁控濺射具有高速、低溫兩大特點.電子在電場E 作用下加速飛向基片的過程中與氬原子發(fā)生碰撞. 若電子具有足夠的能量(約為30eV 時, 則可電離出A r +和另一個電子, 電子飛向基片, A r +在電場E 作用下加速飛向陰極(濺射靶 , 并以高能量轟擊靶表面, 使靶材發(fā)生濺射. 在濺射粒子中, 中性靶原子(或分子 沉積在基片上形成薄膜; 二次電子e 1在加速飛向基片時受磁

4、場B 的洛侖茲力作用, 以擺線和螺旋線狀的復(fù)合形式在靶表面作圓周運動. 該電子的運動路徑不僅很長, 而且被電磁場束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi), 在該區(qū)中電離出大量的A r +離子用來轟擊靶材, 從而具有磁控濺射沉積速率高的特點. 隨著碰撞次數(shù)的增加, 電子e 1的能量逐漸降低并遠離靶面. 低能電子e 1將按圖1所示那樣沿著磁力線來回振蕩, 待電子能量將耗盡時, 在電場E 的作用下最終沉積在基片上. 由于該電子能量很低, 傳給基片的能量很小, 致使基片的溫升較低. 在磁極軸線處, 由于電場與磁場平行, 電子e 2將直接飛向基片. 但在磁控濺射裝置中, 磁極軸線處離子密收稿日期:1998206

5、203作者簡介:張建民, 男, 37歲, 講師第1期張建民等:磁控濺射靶源設(shè)計及濺射工藝研究37度很低, 所以e 2類電子很少, 對基片溫升作用不大. 2磁控濺射靶源的設(shè)計制作磁控濺射鍍膜機最重要的部件是陰極靶,為整機的“心臟”. 對它的設(shè)計一方面要考慮靶面的磁場分布和靶材的利用率; 另一方面要考慮導(dǎo)電、導(dǎo)熱、冷卻、密封和絕緣. 我們設(shè)計和制作的靶如圖2所示, 個靶面能均勻冷卻, . 鋁靶和靶墊的直徑為118mm , 厚度為5mm ; , 它決定著靶面磁場的分布和1濺射環(huán)的寬窄(靶材的利用率 .環(huán)形磁鐵的內(nèi)外徑分別為78mm , 118mm ; 圓柱鐵芯直徑為28mm , 二者的高均為55mm

6、 ; 銅制環(huán)狀冷卻水套的壁厚為5 mm , 過直徑對稱地焊接兩個外徑12mm , 壁厚3mm 的銅管分別作為進出水管. 組裝時, 使水套、環(huán)狀磁鐵及鐵芯緊密配合, 并使上表面在同一平面內(nèi), 以便達到最佳冷卻效果; 軛鐵由直徑118. mm , 厚10mm 的鐵板構(gòu)成, 下部的磁場短路, 以增強靶表面磁場強度及均勻性圖2靶源結(jié)構(gòu)3濺射工藝研究311靶面水平磁場的分布靶面水平磁場的分布是構(gòu)成圓形平面磁控濺射靶源的關(guān)鍵, 一般要求最大水平磁場為200400Gs , 最佳值為300Gs . 我們用CT 5 型直流高斯計測量了靶面水平磁場的分布, 其結(jié)果如圖3所示, 磁場強度310Gs , 為最佳值.

7、靶電壓、靶電流隨氬氣壓的變化關(guān)系如圖4, 圖5所示.圖3靶面水平磁場的分布圖4靶電壓與氬氣壓的關(guān)系圖5靶電流與氬氣壓的關(guān)系312氬氣壓強對放電電壓及靶電流的影響調(diào)整靶基距離為50mm , 將真空室(直徑450mm , 高500mm 抽至2. 6×10-3Pa , 充氬氣(純度99198% 到2. 6×10-1Pa , 加靶壓到-500V (靶流220mA 后增加氬壓強(用自動壓強(自然科學版 第27卷陜西師范大學學報38控制儀測量氬氣壓 , 測得靶電壓、靶電流隨氬氣壓的變化關(guān)系分別如圖4, 圖5所示.由圖可以看出, 隨氬氣壓強的增加, 靶電壓減小, 靶電流增加. 這是由于氬

8、氣增加, 氣體放電等離子體的密度增加, 正負離子增加, 等效電阻減小, 故靶電壓減小, 靶電流增加.313不同氬氣壓下的放電電流與電壓關(guān)系調(diào)整靶基距離為50mm , 清洗烘干玻璃基片并放在基體架上(鋁制 , 真空室抽至2. 6×10-3Pa 后, 充氬氣分別為0. 2, 0. 6, 1. 0示., 增加; , 氣壓越高, 放電電流越大; 對一定的放電電流, 氣壓越高, 靶電壓越低.參考文獻:圖6不同氬氣壓下陰極靶的伏安特性曲線a 1p =1. 0Pa ; b 1p =0. 6Pa ; c 1p =0. 2Pa1陳寶清. 離子鍍膜及濺射技術(shù)M . 北京:國防工業(yè)出版社, 1990.2張

9、建民. 直流三極偏壓濺射沉積碳化鈦膜J . 真空, 1994, (1 :2931.3張建民. 氮分壓對三極反應(yīng)濺射氮化鈦膜的影響J . 陜西師范大學學報(自然科學版 , 1995, 23(2 :121122.4田民波, 劉德令. 薄膜科學與技術(shù)手冊S . 北京:機械工業(yè)出版社, 1991.5T ho rm ton J A . M agnetron spu ttering :basic physics and app licati on to cylindrical m agnetron s J . J V ac177. Sci T echno l , 1978, 15(2 :1716W ind

10、ow B . R ecen t advances in spu tter depo siti on J . Su rface and Coating T echno logy , 1995, 71:9397.責任編輯強志軍M agnetron sputter i ng target source and sputter i ng procedure122Zhang J ianm in , W ang L i , L iang Changhu i(1D ep artm en t of Physics , Shaanx i N o rm al U n iversity , 710062X i an

11、 , PRC ;2D ep artm en t of Physics , X ianyang T eachers Co llege , 712000X ianyang , Shaanx i , PRC Abstract :A conven ien t and u sefu l target sou rce of circu lar p lane DC m agnetron sp u ttering is designed and m ade ; T he m agnetic field distribu ti on on A l target su rface is m easu red w

12、ith CT 5Gau ss 2m eter ; T he vari ou s cu rves are given of the target vo ltage and electric cu rren t-1-1w ith sp u tterign gas (A r p ressu re (3. 0×109×10Pa and the I 2V characteristic cu rvesat th ree differen t p ressu res (1. 0, 0. 6, 0. 2Pa ; the A l , Cu and T i th in fil m s w ith h igher p u rity are depo sited on glass sub strate successfu lly ; It is show n that th is target sou rce has fo llow ing p rop erties :Su itab le m agnetic field distribu ti on , si m p le structu re conven