閉合磁場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍離化特性分析

閉合磁場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍離化特性分析應(yīng)用閉合磁場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍系統(tǒng)，研究了濺射靶電流、偏壓和Ar流量對(duì)偏流密度的影響。結(jié)果說明，偏流密度隨著偏壓和靶電流的升高而增大，但隨偏壓的提高偏流密度的增加趨勢(shì)趨于平緩；偏流密度隨著Ar流量的增大而出現(xiàn)峰值。

磁控濺射離子鍍（MSIP）是一種把磁控濺射和離子鍍結(jié)合起來的技術(shù)，它在同一裝置內(nèi)既實(shí)現(xiàn)了氬離子對(duì)磁控靶（鍍料）的穩(wěn)定濺射，又實(shí)現(xiàn)了高能靶材（鍍料）離子在基片負(fù)偏壓作用下到達(dá)基片開展轟擊、濺射、注入及沉積的過程。

離化率是指被電離的原子占全部濺射原子的百分比，是磁控濺射離子鍍過程中的一個(gè)重要指標(biāo)。特別是在活性反應(yīng)離子鍍時(shí)，離化率直接反映等離子體的活化程度。濺射原子和反應(yīng)氣體的離化程度對(duì)鍍層的各種性質(zhì)，如附著力、硬度、耐熱耐蝕性、結(jié)晶構(gòu)造等，都產(chǎn)生直接的影響。

如何提高等離子體的密度或電離度，以降低氣體放電的阻抗，從而在相同的放電功率下獲得更大的電流，也就是獲得更多的離子轟擊靶材和基體，關(guān)鍵在于如何充分的利用電子的能量，使其最大限度地用于電離。不同離子鍍方法因電離和激發(fā)方式不同，其離化率也差異較大。閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)是在普通磁控濺射技術(shù)根底上發(fā)展起來的一種新型磁控濺射鍍膜技術(shù)，它是對(duì)普通磁控濺射技術(shù)開展設(shè)備改進(jìn)和工藝完善的產(chǎn)物。一塊磁控靶的N極對(duì)應(yīng)另一塊靶的S極，即閉合式構(gòu)造，閉合式構(gòu)造將靶系統(tǒng)邊緣上的磁力線閉合在兩塊靶之間，構(gòu)成逃逸電子的“閉合阱”，等離子體區(qū)域被有效限制在真空室中間區(qū)域，即基體所在區(qū)域，這樣一方面，濺射出來的原子和粒子沉積在基片表面形成薄膜，另一方面，等離子體以一定的能量轟擊基片，起到離子束輔助沉積的作用，極大地改善了薄膜質(zhì)量。因此，不僅具有普通磁控濺射（MS）過程穩(wěn)定、控制方便和大面積膜厚均勻性的特點(diǎn)，而且克服了基片附近離子密度小的缺點(diǎn)，容易獲得附著力好、致密度高的薄膜，也防止了過高的內(nèi)應(yīng)力。

偏流密度是離子鍍中的重要參數(shù)之一，偏壓一定時(shí)可反映整個(gè)離子鍍過程的離化特征，研究偏流密度的變化規(guī)律和影響因素有助于優(yōu)化薄膜的質(zhì)量。本文在閉合磁場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)條件下，系統(tǒng)研究了不同偏壓條件下靶電流和氬氣流量對(duì)偏離密度的影響規(guī)律，為應(yīng)用閉合磁場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)制備高質(zhì)量薄膜提供根底理論依據(jù)。

1、試驗(yàn)材料和方法

采用的閉合磁場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍?cè)O(shè)備是由**匯錦梯爾鍍層科技公司生產(chǎn)的UDP-650/4設(shè)備，濺射氣體為氬氣，靶材為純度99.9%的10mm厚矩形Cr靶。濺射背底真空2×10-5Torr(真空單位分不清？那就在線轉(zhuǎn)換吧：真空單位在線換算)，濺射氣壓5×10-3Torr，氬氣流量在10~60sccm間每隔5sccm變化，濺射靶電流分別設(shè)定為3A、4A和5A，偏壓從-30V到-90V每隔10V變化。在上述試驗(yàn)條件下記錄偏流值，測(cè)定工件架（陰極）表面積后計(jì)算出偏流密度。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1、閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍高離化率特點(diǎn)分析

圖1為試驗(yàn)用閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍?cè)O(shè)備的構(gòu)造示意圖，四個(gè)靶兩兩相對(duì)放置，每個(gè)靶的反面各安置兩個(gè)磁性相反的磁極，構(gòu)成一個(gè)封閉磁場(chǎng)，防止電子的逃逸；每個(gè)靶的磁極的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，使磁場(chǎng)構(gòu)成一個(gè)非平衡磁場(chǎng)，擴(kuò)大了等離子區(qū)；在支架上加一定值的負(fù)偏壓，使濺射的靶材離子能夠有效的轟擊基體；另外，在靶材和爐體之間加一定量的電壓，爐體接地。

圖1閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍構(gòu)造示意圖

3、結(jié)論

通過對(duì)閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)值的檢測(cè)，偏壓、靶電流和氬氣流量均對(duì)偏流密度產(chǎn)生影響，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析可得到如下結(jié)論：隨著負(fù)偏壓的增加，偏流密度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但逐漸平緩；隨著氬氣流量的增加，偏流密度呈現(xiàn)先增加后緩慢減小的趨勢(shì)；隨著靶電流的增加，偏流密度呈現(xiàn)迅速增大趨勢(shì)；并且，與偏壓和氬氣流量相比，靶電流對(duì)偏流密度的影響較大。

因此，利用閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍開展鍍膜時(shí)，要想獲得較大的偏流密度，可以提高偏壓，但偏壓太高，又會(huì)使離子的動(dòng)能增加，把沉積在基體