磁控濺射靶源設計及濺射工藝研究

1、第27卷第1期陜西師范大學學報(自然科學版 1999年3月Jou rnal of Shaanx i N o rm al U n iversity (N atu ral Science Editi on . 27N o . 1V o l M ar . 1999張建民1, 王立2, 2(12, 712000; 用CT 5型高斯計測, 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. 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. 結果表明, 該靶源可得到最佳磁場分布, 且結構簡單、

2、更換靶材方便、濺射電壓和氣壓低、成膜速度快、基體溫升低.關鍵詞:磁控濺射; 靶源; 設計制作中圖分類號:O 44115文獻標識碼:A 文章編號:100123857(1999 0120036203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, 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, 因而在機械、電子、能源、信息等領域得到廣泛應用.1磁控濺射的基本工作原理磁控濺射是在二極濺射的基礎上以增加磁場來改變電子的運動方向, 束縛和延長電子

3、運動軌跡, 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.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 沉積在基片上形成薄膜; 二次電子e 1在加速飛向基片時受磁

4、場B 的洛侖茲力作用, 以擺線和螺旋線狀的復合形式在靶表面作圓周運動. 該電子的運動路徑不僅很長, 而且被電磁場束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內, 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. 隨著碰撞次數的增加, 電子e 1的能量逐漸降低并遠離靶面. 低能電子e 1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e 2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, 講師第1期張建民等:磁控濺射靶源設計及濺射工藝研究37度很低, 所以e 2類電子很少, 對基片溫升作用不大. 2磁控濺射靶源的設計制作磁控濺射鍍膜機最重要的部件是陰極靶,為整機的“心臟”. 對它的設計一方面要考慮靶面的磁場分布和靶材的利用率; 另一方面要考慮導電、導熱、冷卻、密封和絕緣. 我們設計和制作的靶如圖2所示, 個靶面能均勻冷卻, . 鋁靶和靶墊的直徑為118mm , 厚度為5mm ; , 它決定著靶面磁場的分布和1濺射環(huán)的寬窄(靶材的利用率 .環(huán)形磁鐵的內外徑分別為78mm , 118mm ; 圓柱鐵芯直徑為28mm , 二者的高均為55mm

6、 ; 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, 以便達到最佳冷卻效果; 軛鐵由直徑118. mm , 厚10mm 的鐵板構成, 下部的磁場短路, 以增強靶表面磁場強度及均勻性圖2靶源結構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成圓形平面磁控濺射靶源的關鍵, 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, 其結果如圖3所示, 磁場強度310Gs , 為最佳值.

7、靶電壓、靶電流隨氬氣壓的變化關系如圖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系圖5靶電流與氬氣壓的關系312氬氣壓強對放電電壓及靶電流的影響調整靶基距離為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(用自動壓強(自然科學版 第27卷陜西師范大學學報38控制儀測量氬氣壓 , 測得靶電壓、靶電流隨氬氣壓的變化關系分別如圖4, 圖5所示.由圖可以看出, 隨氬氣壓強的增加, 靶電壓減小, 靶電流增加. 這是由于氬

8、氣增加, 氣體放電等離子體的密度增加, 正負離子增加, 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系調整靶基距離為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. 0示., 增加; , 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: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. 2Pa1陳寶清. 離子鍍膜及濺射技術M . 北京:國防工業(yè)出版社, 1990.2張

9、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. 氮分壓對三極反應濺射氮化鈦膜的影響J . 陜西師范大學學報(自然科學版 , 1995, 23(2 :121122.4田民波, 劉德令. 薄膜科學與技術手冊S . 北京:機械工業(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 ac177. Sci T echno l , 1978, 15(2 :1716W 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.責任編輯強志軍M agnetron sputter i ng target source and sputter i ng procedure122Zhang J ianm in , W ang L i , L iang Changhu i(1D ep artm en t of Physics , Shaanx i N o rm al U n iversity , 710062X i an

11、 , PRC ;2D 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

12、ith CT 5Gau ss 2m eter ; T he vari ou s cu rves are given of the target vo ltage and electric cu rren t-1-1w ith sp u tterign gas (A r p ressu re (3. 0×109×10Pa 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