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(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版V o l.27N o.11999年3月Jou rnal of Shaanx i N o rm al U n iversity(N atu ral Science Editi onM ar.1999磁控濺射靶源設(shè)計及濺射工藝研究張建民1,王立2,梁昌慧2(1陜西師范大學(xué)物理學(xué)系,陜西西安710062;2咸陽師范?？茖W(xué)校物理學(xué)系,陜西咸陽712000摘要:設(shè)計制作了方便實(shí)用的圓形直流平面磁控濺射靶源;用CT5型高斯計測量鋁靶面上的磁場分布,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

2、.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、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:O44115文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:100123857(19990120036203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(diǎn),因而在機(jī)械、電子、能源、信息等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.1

3、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(yùn)動方向,束縛和延長電子運(yùn)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(diǎn).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

4、基片上形成薄膜;二次電子e1在加速飛向基片時受磁場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(yùn)動.該電子的運(yùn)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(diǎn).隨著碰撞次數(shù)的增加,電子e1的能量逐漸降低并遠(yuǎn)離靶面.低能電子e1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e2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,講師度很低,所以e 2類電子很少,對基片溫升作用不大.圖1磁控濺射工作原理2磁控濺射靶源的設(shè)計制作磁控濺射鍍膜機(jī)最重要的部件是陰極靶,為整機(jī)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,靶墊起導(dǎo)電導(dǎo)熱作用,使整個靶面能均勻冷卻,防止高能離子擊穿靶進(jìn)而轟擊冷卻水套引起漏水事故,特別是貴金屬薄靶.鋁靶和靶墊的直徑為118mm ,厚度為5mm ;磁鐵由環(huán)狀鐵氧體永久磁鐵和位于中心的圓柱體鐵芯構(gòu)成,它決定著靶面磁場的分布和圖2靶源結(jié)構(gòu)濺射環(huán)的寬窄(靶材的利用率.環(huán)形磁鐵的內(nèi)外

6、徑分別為78mm ,118mm ;圓柱鐵芯直徑為28mm ,二者的高均為55mm ;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(jìn)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(dá)到最佳冷卻效果;軛鐵由直徑118mm ,厚10mm 的鐵板構(gòu)成,下部的磁場短路,以增強(qiáng)靶表面磁場強(qiáng)度及均勻性.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

7、強(qiáng)度310Gs ,為最佳值.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(qiáng)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(qiáng)(用自動壓強(qiáng)73第1期張建民等:磁控濺射靶源設(shè)計及濺射工藝研究控制儀測量氬氣壓,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(qiáng)的增加,靶電壓減小,靶電流增加.這是

8、由于氬氣增加,氣體放圖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 =0.2Pa電等離子體的密度增加,正負(fù)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0.2,0.6,1.0Pa ,測得放電流隨陰極靶電壓的變化曲線如圖6所示.對一定氣壓,放電電流隨靶電壓的增加而增加;對一定的靶電壓,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(xiàn):1陳寶清.離子鍍膜及濺射技術(shù)

9、M .北京:國防工業(yè)出版社,1990.2張建民.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(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版,1995,23(2:121122.4田民波,劉德令.薄膜科學(xué)與技術(shù)手冊S .北京:機(jī)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 acSci T echno l ,1978,15(2:171177.6W 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(zé)任編輯強(qiáng)志軍M agnetron sputter i ng target source and sputter i ng procedureZhang J ianm in 1,W ang L i 2,L iang Changhu i2(1D ep artm en t of Physics ,Shaanx i N o rm al U n iversity ,710062X i an ,PRC ;2

11、D 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 ith CT 5Gau ss

12、 2m eter ;T he vari ou s cu rves are given of the target vo ltage and electric cu rren tw ith sp u tterign gas (A r p ressu re (3.0×10-19×10-1Pa 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 ien t change of