平衡磁控溅射的概念和优缺点

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)广东工业大学机电学院 作者:余东海

         平衡磁控溅射即传统的磁控溅射,是在阴极靶材背后放置芯部与外环磁场强度相等或相近的永磁体或电磁线圈,在靶材表面形成与电场方向垂直的磁场。沉积室充入一定量的工作气体,通常为Ar,在高压作用下Ar 原了电离成为Ar+离子和电子,产生辉光放电,Ar+ 离子经电场加速轰击靶材,溅射出靶材原子、离子和二次电子等。

           电子在相互垂直的电磁场的作用下,以摆线方式运动,被束缚在靶材表面,延长了其在等离子体中的运动轨迹,增加其参与气体分子碰撞和电离的过程,电离出更多的离子,提高了气体的离化率,在较低的气体压力下也可维持放电,因而磁控溅射既降低溅射过程中的气体压力,也同时提高了溅射的效率和沉积速率。

         但平衡磁控溅射也有不足之处,例如:由于磁场作用,辉光放电产生的电子和溅射出的二次电子被平行磁场紧紧地约束在靶面附近,等离子体区被强烈地束缚在靶面大约60 mm 的区域,随着离开靶面距离的增大,等离子浓度迅速降低,这时只能把工件安放在磁控靶表面50~100 mm的范围内,以增强离子轰击的效果。这样短的有效镀膜区限制了待镀工件的几何尺寸,不适于较大的工件或装炉量,制约了磁控溅射技术的应用。且在平衡磁控溅射时,飞出的靶材粒子能量较低,膜基结合强度较差,低能量的沉积原子在基体表面迁移率低,易生成多孔粗糙的柱状结构薄膜。提高被镀工件的温度固然可以改善膜层的结构和性能,但是在很多的情况下,工件材料本身不能承受所需的高温。

平衡磁控溅射和非平衡磁控溅射 

图1 (a) 平衡磁控溅射(b) 非平衡磁控溅射

         非平衡磁控溅射的出现部分克服了以上缺点,将阴极靶面的等离子体引到溅射靶前200~300 mm 的范围内,使基体沉浸在等离子体中,如图1 所示。这样,一方面,溅射出来的原子和粒子沉积在基体表面形成薄膜,另一方面,等离子体以一定的能量轰击基体,起到离子束辅助沉积的作用,大大的改善了膜层的质量。

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