溅(jian)射(she)镀膜(mo)是(shi)物(wu)理(li)气(qi)相(xiang)沉(chen)积(ji)(PV D )的(de)重要(yao)方(fang)法之(zhi)一(yi)，它是(shi)在真(zhen)空(kong)室(shi)中(zhong)利用荷能(neng)离(li)子轰击靶(ba)表(biao)面，使被(bei)轰击(ji)出的靶(ba)材(cai)粒子沉积在(zai)基(ji)片(pian)上的(de)成(cheng)膜技术，包括(kuo)二(er)极溅(jian)射［1］、三极(ji)(或(huo)四(si)极溅射(she))［2，3］、磁控溅(jian)射［4，5］、对(dui)向靶溅(jian)射(she)［6］等。磁(ci)控溅(jian)射(she)具(ju)有(you)基片(pian)温升低和成(cheng)膜快两(liang)大特点(dian)，因(yin)而(er)在机(ji)械、电子、能源(yuan)、信(xin)息等(deng)领域(yu)得到广泛应用。
1、 磁(ci)控溅射(she)的基(ji)本(ben)工作(zuo)原理
磁控(kong)溅(jian)射(she)是(shi)在二(er)极溅射(she)的基础(chu)上(shang)以(yi)增(zeng)加(jia)磁场(chang)来改(gai)变(bian)电(dian)子(zi)的(de)运动(dong)方向(xiang)，束缚(fu)和(he)延(yan)长电子(zi)运(yun)动(dong)轨迹(ji)，从(cong)而(er)提(ti)高电(dian)子对(dui)工作气(qi)体的(de)电离几率和有(you)效(xiao)利(li)用(yong)电子的能量。因此，在(zai)形(xing)成高密(mi)度(du)等(deng)离(li)子体(ti)的异常(chang)辉光(guang)放电中，正(zheng)离子(zi)对(dui)靶(ba)材(cai)轰击(ji)引(yin)起(qi)的(de)靶材溅(jian)射更(geng)为有(you)效。受(shou)正交电磁场束(shu)缚的电(dian)子，只(zhi)能(neng)在(zai)能(neng)量(liang)将(jiang)要耗尽(jin)时才(cai)能(neng)沉积(ji)在(zai)基(ji)片(pian)上(shang)，使磁控溅(jian)射具(ju)有(you)高(gao)速、低温(wen)两大特(te)点。
电子(zi)在电场(chang)E作(zuo)用(yong)下(xia)加速飞(fei)向(xiang)基片的(de)过程中(zhong)与(yu)氩(ya)原(yuan)子发(fa)生(sheng)碰(peng)撞。若(ruo)电子具(ju)有(you)足(zu)够(gou)的能(neng)量(liang)(约(yue)为30eV )时(shi)，则可电(dian)离(li)出A r＋和(he)另(ling)一个电子(zi)，电子(zi)飞向(xiang)基片，A r＋在(zai)电场E作用下加速飞(fei)向阴极(溅(jian)射(she)靶(ba))，并以(yi)高(gao)能(neng)量(liang)轰(hong)击靶(ba)表(biao)面(mian)，使靶材(cai)发(fa)生(sheng)溅(jian)射(she)。在(zai)溅射粒子中，中性靶(ba)原子(zi)(或分子)沉(chen)积在基(ji)片上(shang)形(xing)成薄(bao)膜(mo)；二次电子(zi)e1在加速飞(fei)向(xiang)基(ji)片时(shi)受磁(ci)场(chang)B的(de)洛(luo)仑(lun)兹(zi)力作用(yong)，以(yi)摆线(xian)和(he)螺旋线(xian)状的(de)复合(he)形(xing)式(shi)在(zai)靶表面作圆周运动(dong)。该(gai)电(dian)子(zi)的(de)运动(dong)路(lu)径不仅(jin)很长(zhang)，而且被(bei)电磁(ci)场(chang)束缚在(zai)靠(kao)近靶表(biao)面(mian)的(de)等离子(zi)体区(qu)域(yu)内，在该(gai)区(qu)中电(dian)离出大量(liang)的(de)A r＋离(li)子用(yong)来轰击靶(ba)材(cai)，从而(er)具有磁(ci)控(kong)溅射(she)沉积速率(lv)高(gao)的特(te)点。随着(zhe)碰撞(zhuang)次数的增(zeng)加(jia)，电子e1的能量逐渐(jian)降低(di)并(bing)远(yuan)离靶(ba)面(mian)。低(di)能电子(zi)e1将按图1所(suo)示(shi)那样沿(yan)着(zhe)磁(ci)力线(xian)来(lai)回振荡，待(dai)电(dian)子能量(liang)将耗尽(jin)时(shi)，在电场(chang)E的作用下(xia)最终沉(chen)积(ji)在(zai)基(ji)片上。由(you)于(yu)该(gai)电(dian)子(zi)能(neng)量很低(di)，传(chuan)给基片的能量(liang)很(hen)小(xiao)，致(zhi)使基片(pian)的(de)温升(sheng)较低(di)。在(zai)磁极(ji)轴线(xian)处，由于电场与(yu)磁(ci)场平行，电(dian)子(zi)e2将直(zhi)接飞向(xiang)基片(pian)。但(dan)在磁控溅(jian)射装(zhuang)置(zhi)中(zhong)，磁极(ji)轴线处离子密度很(hen)低，所以e2类电(dian)子(zi)很(hen)少(shao)，对基(ji)片温(wen)升(sheng)作(zuo)用不大(da)。
2、 磁(ci)控(kong)溅(jian)射(she)靶(ba)源(yuan)的(de)设计制作(zuo)
磁(ci)控溅射(she)镀膜(mo)机(ji)最重要(yao)的(de)部件(jian)是(shi)阴极靶，为(wei)整机的“心(xin)脏”。对(dui)它(ta)的设计一方面(mian)要考(kao)虑靶(ba)面(mian)的磁(ci)场分(fen)布和(he)靶材(cai)的利用率(lv)；另一(yi)方面要(yao)考虑导电、导热、冷却(que)、密封和(he)绝缘(yuan)。我(wo)们(men)设(she)计(ji)和(he)制(zhi)作(zuo)的(de)靶如(ru)图(tu)2所示(shi)，靶(ba)垫(dian)起(qi)导(dao)电导热(re)作(zuo)用，使(shi)整(zheng)个(ge)靶(ba)面(mian)能(neng)均匀冷却(que)，防止高(gao)能离(li)子(zi)击穿(chuan)靶进而(er)轰击(ji)冷(leng)却(que)水套引起漏(lou)水(shui)事故(gu)，特(te)别是贵金(jin)属薄靶(ba)。铝(lv)靶和靶(ba)垫的(de)直(zhi)径为(wei)118mm，厚度(du)为5mm；磁(ci)铁(tie)由(you)环(huan)状铁氧(yang)体(ti)永(yong)久(jiu)磁(ci)铁和(he)位(wei)于(yu)中(zhong)心(xin)的圆(yuan)柱(zhu)体(ti)铁芯构成，它决定着靶(ba)面磁场(chang)的(de)分(fen)布(bu)和(he)溅(jian)射(she)环(huan)的(de)宽窄(靶(ba)材的(de)利用(yong)率(lv))。
环(huan)形磁铁的(de)内外(wai)径分别(bie)为(wei)78mm，118mm；圆柱铁(tie)芯(xin)直径为(wei)28mm，二者的高(gao)均为55mm ；铜(tong)制环(huan)状冷(leng)却(que)水套(tao)的(de)壁(bi)厚为5mm，过(guo)直径(jing)对(dui)称地(di)焊接(jie)两个外径(jing)12mm，壁(bi)厚(hou)3mm的铜管(guan)分(fen)别(bie)作(zuo)为(wei)进出(chu)水(shui)管。组装(zhuang)时(shi)，使(shi)水套、环(huan)状(zhuang)磁(ci)铁(tie)及铁芯紧密(mi)配合，并使(shi)上表(biao)面(mian)在(zai)同一(yi)平(ping)面内(nei)，以(yi)便达(da)到(dao)最佳(jia)冷(leng)却效(xiao)果；轭铁由(you)直(zhi)径(jing)118mm，厚(hou)10mm的铁(tie)板(ban)构成(cheng)，下部(bu)的(de)磁(ci)场短(duan)路，以增(zeng)强靶(ba)表面(mian)磁(ci)场(chang)强度(du)及(ji)均(jun)匀(yun)性。
3、 溅(jian)射(she)工(gong)艺(yi)研究(jiu)
3.1 靶面(mian)水(shui)平磁场(chang)的分(fen)布
靶(ba)面水平(ping)磁(ci)场的(de)分(fen)布(bu)是(shi)构(gou)成圆(yuan)形(xing)平(ping)面磁(ci)控溅(jian)射(she)靶(ba)源(yuan)的(de)关键(jian)，一(yi)般(ban)要求最(zui)大(da)水平磁场(chang)为(wei)200～400Gs，最佳(jia)值为300Gs。我(wo)们用CT—5型直流(liu)高(gao)斯计(ji)测量(liang)了靶面水(shui)平(ping)磁(ci)场的分布，其结(jie)果(guo)如图3所(suo)示(shi)，磁场(chang)强(qiang)度(du)310Gs，为(wei)最佳值(zhi)。靶(ba)电(dian)压、靶(ba)电(dian)流随氩气(qi)压的变(bian)化关(guan)系(xi)如图(tu)4，图(tu)5所(suo)示。
3.2 氩(ya)气(qi)压(ya)强(qiang)对放(fang)电电(dian)压及(ji)靶电(dian)流的影响
调(diao)整靶基距(ju)离(li)为(wei)50mm，将(jiang)真空室(shi)(直(zhi)径450mm，高500mm)抽至(zhi)2.6×10-3Pa，充(chong)氩气(qi)(纯(chun)度(du)99.98% )到2.6×10-1Pa，加靶压到(dao)-500 V (靶流220mA )后(hou)增(zeng)加氩压强(用(yong)自动压强控制仪(yi)测量(liang)氩(ya)气压)，测得靶(ba)电压、靶电流随氩气压(ya)的(de)变化关系分别(bie)如图(tu)4，图(tu)5所示。
由(you)图(tu)可以(yi)看(kan)出，随氩(ya)气(qi)压(ya)强(qiang)的(de)增(zeng)加，靶(ba)电压减(jian)小，靶电流增加。这(zhe)是由于(yu)氩(ya)气(qi)增(zeng)加，气(qi)体放电(dian)等离子体的(de)密度(du)增(zeng)加，正(zheng)负离子增加，等效电(dian)阻减小，故(gu)靶电(dian)压(ya)减小，靶(ba)电(dian)流增(zeng)加。
3.3 不(bu)同氩(ya)气压下的放(fang)电(dian)电流与电压关(guan)系(xi)
调整(zheng)靶(ba)基距离(li)为50mm，清(qing)洗烘干(gan)玻璃基(ji)片并放(fang)在(zai)基(ji)体架(jia)上(shang)(铝(lv)制)，真(zhen)空室(shi)抽(chou)至(zhi)2.6×10-3Pa后(hou)，充氩(ya)气(qi)分别为0.2，0.6，1.0Pa，测(ce)得(de)放电流随阴极(ji)靶电压(ya)的变(bian)化曲(qu)线如图(tu)6所(suo)示(shi)。
对一(yi)定气(qi)压(ya)，放(fang)电电流(liu)随(sui)靶(ba)电压的(de)增加而(er)增加；对一(yi)定(ding)的(de)靶(ba)电压(ya)，气压越(yue)高(gao)，放电电(dian)流越(yue)大；对(dui)一(yi)定(ding)的(de)放(fang)电电(dian)流，气压越高(gao)，靶(ba)电压(ya)越(yue)低(di)。
参考文献：
[1]陈(chen)宝清(qing)．离子(zi)镀(du)膜及(ji)溅射(she)技(ji)术［M ］．北(bei)京(jing)：国(guo)防(fang)工业出版(ban)社(she)，1990．
[2]张(zhang)建民(min)．直流三(san)极(ji)偏(pian)压(ya)溅射(she)沉积碳(tan)化(hua)钛(tai)膜［J］．真空，1994，(1)：29～31．
[3]张(zhang)建(jian)民(min)．氮分(fen)压(ya)对三(san)极反应(ying)溅射(she)氮化(hua)钛膜(mo)的(de)影响(xiang)［J］．陕西师(shi)范(fan)大学(xue)学(xue)报(bao)(自然(ran)科(ke)学版(ban))，1995，23(2)：121～122．
[4]田民波，刘德令．薄膜(mo)科学(xue)与技(ji)术手册［S］．北京：机械工(gong)业出版(ban)社(she)，1991．
[5]Thorm ton J A .M agnetron sputtering:basic physics and application to cylindrical m agnetrons［J］.J V ac Sci Technol,1978,15(2):171～177．
[6]W indow B.Recent advances in sputter deposition［J］.Surface and C oatingTechnology,1995,71:93～97．
作者(zhe)简介：张(zhang)建民，男，37岁(sui)，讲师(shi)
作者单位(wei)：张建民 陕(shan)西(xi)师(shi)范(fan)大学物理学(xue)系(xi)，陕(shan)西 西(xi)安 710062；
王 立 梁(liang)昌(chang)慧 咸(xian)阳(yang)师(shi)范专科(ke)学校(xiao)物(wu)理(li)学(xue)系，陕西(xi) 咸阳(yang) 712000
相(xiang)关链(lian)接(jie)
