闭合磁场非平衡磁控溅射离子镀离化特性研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)太原理工大学表面工程研究所 作者:贺耀华

  应用闭合磁场非平衡磁控溅射离子镀系统,研究了溅射靶电流、偏压和Ar 流量对偏流密度的影响。结果表明,偏流密度随着偏压和靶电流的升高而增大,但随偏压的提高偏流密度的增加趋势趋于平缓;偏流密度随着Ar 流量的增大而出现峰值。

  磁控溅射离子镀(MSIP)是一种把磁控溅射和离子镀结合起来的技术,它在同一装置内既实现了氩离子对磁控靶(镀料)的稳定溅射,又实现了高能靶材(镀料)离子在基片负偏压作用下到达基片进行轰击、溅射、注入及沉积的过程。

  离化率是指被电离的原子占全部溅射原子的百分比,是磁控溅射离子镀过程中的一个重要指标。特别是在活性反应离子镀时,离化率直接反映等离子体的活化程度。溅射原子和反应气体的离化程度对镀层的各种性质,如附着力、硬度、耐热耐蚀性、结晶结构等,都产生直接的影响。

  如何提高等离子体的密度或电离度,以降低气体放电的阻抗,从而在相同的放电功率下获得更大的电流,也就是获得更多的离子轰击靶材和基体,关键在于如何充分的利用电子的能量,使其最大限度地用于电离。不同离子镀方法因电离和激发方式不同,其离化率也差别较大。闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术是在普通磁控溅射技术基础上发展起来的一种新型磁控溅射镀膜技术,它是对普通磁控溅射技术进行设备改良和工艺完善的产物。一块磁控靶的N 极对应另一块靶的S 极,即闭合式结构,闭合式结构将靶系统边缘上的磁力线闭合在两块靶之间,构成逃逸电子的“闭合阱”,等离子体区域被有效限制在真空室中间区域,即基体所在区域,这样一方面,溅射出来的原子和粒子沉积在基片表面形成薄膜,另一方面,等离子体以一定的能量轰击基片,起到离子束辅助沉积的作用,极大地改善了薄膜质量。因此,不仅具有普通磁控溅射(MS)过程稳定、控制方便和大面积膜厚均匀性的特点,而且克服了基片附近离子密度小的缺点,容易获得附着力好、致密度高的薄膜,也避免了过高的内应力。

  偏流密度是离子镀中的重要参数之一,偏压一定时可反映整个离子镀过程的离化特征,研究偏流密度的变化规律和影响因素有助于优化薄膜的质量。本文在闭合磁场非平衡磁控溅射离子镀技术条件下,系统研究了不同偏压条件下靶电流和氩气流量对偏离密度的影响规律,为应用闭合磁场非平衡磁控溅射离子镀技术制备高质量薄膜提供基础理论依据。

1、试验材料和方法

  采用的闭合磁场非平衡磁控溅射离子镀设备是由浙江汇锦梯尔镀层科技有限公司生产的UDP- 650/4 设备,溅射气体为氩气,靶材为纯度99.9%的10 mm 厚矩形Cr 靶。溅射背底真空2×10- 5 Torr( 真空单位分不清?那就在线转换吧:真空单位在线换算), 溅射气压5×10- 3 Torr, 氩气流量在10~60 sccm 间每隔5 sccm 变化,溅射靶电流分别设定为3 A、4 A 和5 A,偏压从- 30 V 到- 90 V 每隔10 V 变化。在上述试验条件下记录偏流值,测定工件架(阴极)表面积后计算出偏流密度。

2、试验结果与分析

2.1、闭合场非平衡磁控溅射离子镀高离化率特点分析

  图1 为试验用闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备的结构示意图,四个靶两两相对放置,每个靶的背面各安置两个磁性相反的磁极,构成一个封闭磁场,防止电子的逃逸;每个靶的磁极的磁场强度不同,使磁场构成一个非平衡磁场,扩大了等离子区;在支架上加一定值的负偏压,使溅射的靶材离子能够有效的轰击基体;另外,在靶材和炉体之间加一定量的电压,炉体接地。

闭合场非平衡磁控溅射离子镀结构示意图

图1 闭合场非平衡磁控溅射离子镀结构示意图

3、结论

  通过对闭合场非平衡磁控溅射离子镀系统各项数值的检测,偏压、靶电流和氩气流量均对偏流密度产生影响,通过实验结果和分析可得到如下结论:随着负偏压的增加,偏流密度呈现增加趋势,但逐渐平缓;随着氩气流量的增加,偏流密度呈现先增加后缓慢减小的趋势;随着靶电流的增加,偏流密度呈现迅速增大趋势;并且,与偏压和氩气流量相比,靶电流对偏流密度的影响较大。

  因此,利用闭合场非平衡磁控溅射离子镀进行镀膜时,要想获得较大的偏流密度,可以提高偏压,但偏压太高,又会使离子的动能增加,把沉积在基体上的薄膜溅射掉;也可以选择较小的氩气流量,但此时,会使靶材的溅射率降低;当然可以提高靶电流,但会受到输入功率的限制。所以,在实际工作中,应该全面考虑每个参数,以获取所需性能的薄膜。

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