影响磁控靶点火电压的几个因素

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  本文主要分析影响磁控靶点火电压的因素:气体压力、电源以及靶材。

1.关于巴-刑曲线

  在工作气体种类、成分、气压和阴极材料已确定及其它条件不变的条件下,阴-阳两极间的气体放电点火电压的高低可由巴-刑定律来说明,气体点燃电压Uz不仅和气压P、极间距d有关,而且和P与d的乘积有关(即Uz是P×d乘积的函数,不是单独是P或d的函数)。巴-刑曲线的左侧与下侧是不能形成自持放电区域;右上侧是可以形成稳定自持放电区域;磁控溅射通常工作在巴-刑曲线的左支。利用这个规律,在放电部件(磁控靶、引出电极等)的结构设计中,通过调整结构间隙的手段来控制各电极对屏蔽罩、金属腔体间的放电和打弧。从巴-刑曲线可以看出,由阴-阳极,真空腔体等组成的放电系统中,如果极间距等于零,形成短路;如果距离过大(电压不过高)形成断路;只有距离适当,才能自持辉光放电。根据巴-刑曲线,当极间距小于1.5~2mm,间隙的深度为8~10mm(10-1 Pa)无接触时,即使极间有上千伏的电位差,仍然不能放电和打弧.,也是真空机械设计中,为了防止不是等电位电极间打火放电而经常采用的所谓“间隙保护”设计的理论依据。

2. 气体压力对点火电压的影响

  在磁控靶溅射镀膜工艺过程中,由于磁控靶的阴-阳极间距一经确定就是一个大体不变的值,工作气体的压力在一定的(例如0.1Pa~10Pa)范围内变化可能会对点火电压产生较大的影响,总的变化趋势为:随着工作气体的压力的逐步增大,磁控靶点火电压相应降低。不同的磁控靶、不同材质的靶材,靶启辉点火的工作气体压强不尽相同。

3. 电源对点火电压的影响

  在同等条件下,选用射频靶电源比选中频或直流靶电源,磁控靶阴极点火电压和工作(溅射)电压都会要降低;选用射频、中频正弦半波或脉冲靶电源,比选低频率同类波形靶电源,阴极点火电压和工作(溅射)电压均会要降低;

4. 靶材对点火电压的影响

  (1) 阴极靶材的不同材质,因溅射的能量阀值的不同,一般溅射“逸出功”较小的阴极靶材,其点火电压和工作的电压要低一些,反之则会高一些。

  (2) 铁磁性靶材(铁、钴、镍、氮化铁等)和铁素体靶材,会偏转和减少阴极溅射靶面磁场对磁控靶造成影响。靶面磁场的降低,使磁控靶需要很高的电压才能点火起辉。

  (3) 点火电压与磁控靶靶材溅射面积和真空腔体的机械尺寸大小有关。靶材溅射面积大,或是真空腔体的机械尺寸大,相应充入工作气体的绝对数量值较多,在同一阴-阳极电压下,工作气体例如氩气电离出导电正离子和电子亦增多,导致点火电压下降(在镀膜时还会造成磁控靶溅射电压一定程度上的降低)。

5. 磁控溅射镀膜靶电源的空载电压

  (1) 靶电源输出的空载电压主要供磁控靶“点火起辉”用,其峰值电压大体可分为三挡,即:800V-1KV-1.2(或1.3)KV左右。

  (2) 大约在5KW以下的靶电源输出空载电压的峰-峰值Vp-p一般在1~1.3KV左右;5KW以上的靶电源其输出的空载电压的峰-峰值Vp-p大约在800~1KV;且电源功率越大, 其输出的空载电压越接近偏小值。

  (3) 铁磁性靶材(铁、钴、镍、氮化铁)以及其它铁素体靶材,在选用靶电源输出的空载电压时,须选择靶电源输出空载电压峰-峰值Vp-p范围的偏大数值。

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