新型等離子體束濺射鍍膜機

　　現(xiàn)有的薄膜制備技術方法有蒸發(fā)法、濺射法、化學氣相沉積、電鍍法等。在濺射法中，磁控濺射是使用較為廣泛的一種方法。與傳統(tǒng)的二極濺射相比，磁控濺射除了可以在較低工作壓強下得到較高的沉積率以外，它也可以在較低基片溫度下獲得高質量的薄膜。但由于靶源磁場分布的不均勻性，致使其靶材在濺射完成后會形成刻蝕跑道，而靶面由于這種非均勻的刻蝕會形成靶中毒現(xiàn)象，中毒區(qū)域的濺射會不可避免地導致成膜摻雜，致使膜的成分不均勻。相應的濺射靶材的利用率也非常的低，通常只有30%以下。

　　新型的等離子體束濺射鍍膜法巧妙地組合了濺射鍍膜和等離子體發(fā)生控制技術，并有效地解決了磁控濺射中靶材利用率低和刻蝕跑道的問題。本文提供了這種新型的真空鍍膜技術方案，即采用等離子體源、等離子體聚束線圈及偏壓電源組成的等離子體束濺射鍍膜機，并應用該濺射鍍膜機成功進行了試驗，得到了刻蝕極其均勻的靶材，提高了靶材的利用率。

1、系統(tǒng)組成與特點

1.1、系統(tǒng)組成

　　等離子體束濺射鍍膜機主要由射頻等離子體源、真空獲得系統(tǒng)、電磁線圈（發(fā)射線圈及匯聚線圈）、偏壓電源、真空室（包括靶材及基片等）、真空控制系統(tǒng)等部分構成。其顯著特點是它的等離子體發(fā)生控制系統(tǒng)，其示意圖如圖1 所示。等離子體發(fā)生控制系統(tǒng)是鍍膜機中的關鍵部分，其中射頻等離子體源位于真空室的側面，并在等離子體源的出口處及濺射靶材的下方分別配置有一個電磁線圈。當兩個線圈同向通過電流時，線圈合成的磁場將引導等離子體源中產(chǎn)生的電子沿磁場方向運動，從而使等離子體束被約束在磁場方向上。同時靶材加有負偏壓，使濺射離子在電場的作用下加速撞擊靶表面，產(chǎn)生濺射作用。

圖1 等離子體發(fā)生控制系統(tǒng)

　　這種鍍膜機具有非常靈活的控制方式，例如濺射速率可以通過調節(jié)靶材偏壓和改變等離子體源的射頻功率這兩種途徑進行調節(jié)。等離子體發(fā)生裝置與真空室的分離設計是實現(xiàn)濺射工藝參數(shù)寬范圍可控的關鍵，而這種參數(shù)闊范圍的可控性使得特定的應用能夠獲得最優(yōu)化的工藝參數(shù)。此外，還可以通過控制系統(tǒng)的真空度來進行濺射速率的調節(jié)。

　　圖2中所示曲線為靶電流與偏壓曲線、恒定電流密度時濺射速率與靶偏壓的關系，其中恒定電流時射頻功率為500W。

圖2 靶電流與靶偏壓的關系、恒定電流時濺射速率與靶偏壓的關系

1.2、系統(tǒng)特點

　　在等離子體束濺射中，濺射離子均勻刻蝕靶面，并且不會使靶面產(chǎn)生氧化。與磁控濺射相比，其中的等離子體束是由射頻等離子體源產(chǎn)生的，磁場的作用則是使等離子體束會聚并偏轉至靶面，因此，雖然等離子體束濺射鍍膜系統(tǒng)內也有磁場，但其磁場卻并不控制影響濺射，這也摒棄了磁控濺射中由磁場不均勻帶來的“磁控”的缺點。在濺射完成后，所得的靶材利用率可高達90%以上。圖3 即分別進行磁控濺射和等離子體束濺射之后靶面刻蝕的對比圖。由于靶材的利用率大幅度提高，也解決了磁控濺射中所難以克服的缺點，即靶中毒導致的刻蝕不均勻

　　此外，磁控濺射由于背面磁鐵磁場不均勻而產(chǎn)生濺射跑道，非磁場約束區(qū)很容易產(chǎn)生氧化，因此很難沉積鐵磁性材料，而等離子體束濺射中由于不用磁鐵作為等離子體約束，能夠進行鐵磁性材料的鍍膜，并且可以使用很厚的靶材，圖3中實驗金屬鈷的厚度即為6mm。對于鐵、鎳、鉻以及鐵磁性化合物，等離子體束濺射也都具有很高的濺射速率。

　　應用該項鍍膜技術的系統(tǒng)還有一個優(yōu)點，當將電磁線圈的極性反接時，由于磁場的方向產(chǎn)生了變化，等離子體束會在磁場的作用下轟擊基片，從而對基片產(chǎn)生清洗作用,如圖4 所示。這實際上可以使得應用該項技術的鍍膜機省略常規(guī)鍍膜機的清洗用離子源。

圖3 磁控濺射靶面刻蝕與等離子體束濺射靶面刻蝕對比和靶材利用率低。圖4 基片清洗過程