首(shou)饰表(biao)面广(guang)泛借(jie)助电(dian)镀(du)膜层(ceng)来增(zeng)加装饰(shi)效果，但(dan)是电(dian)镀(du)属于高(gao)污(wu)染生产工艺，对环(huan)境(jing)和(he)人(ren)体(ti)健康(kang)有(you)害(hai)[1-2]，加(jia)之(zhi)国(guo)家着(zhe)力(li)推行(xing)绿色(se)高(gao)质(zhi)量发展(zhan)，因此(ci)寻(xun)求(qiu)环(huan)保的镀膜新(xin)工艺具有重(zhong)要(yao)意义。磁控溅(jian)射(she)镀膜(mo)是在真空环境下采用物理(li)方法(fa)将(jiang)溅射粒(li)子(zi)沉(chen)积(ji)到工件(jian)表面的(de)技(ji)术(shu)，俗(su)称“干镀”。与(yu)传统(tong)电镀(du)(俗称“水镀”)工(gong)艺相(xiang)比，磁(ci)控(kong)溅射(she)具有(you)显(xian)著(zhu)的(de)环保优(you)势，制备(bei)的(de)膜(mo)层(ceng)纯(chun)度(du)高、厚度(du)均(jun)匀，并且(qie)具有(you)良好的(de)致(zhi)密性(xing)、结(jie)合(he)力和(he)耐(nai)磨性(xing)，已成为装饰镀膜(mo)行(xing)业(ye)研(yan)发的主流，尤(you)其(qi)在(zai)注(zhu)重(zhong)膜(mo)层质感(gan)及性能的高端(duan)细分(fen)领(ling)域具(ju)备(bei)广(guang)阔的市场前(qian)景(jing)[3-4]。
靶材是(shi)磁控(kong)溅(jian)射(she)镀(du)膜的(de)粒(li)子(zi)来源，由于贵(gui)金属靶(ba)材的一(yi)次投入大，靶(ba)材(cai)的利用率、膜层(ceng)组织和性(xing)能(neng)、沉(chen)积(ji)速率(lv)等都是(shi)业界(jie)非常关(guan)注的问题，而(er)它们(men)都(dou)与靶(ba)材表面的(de)刻(ke)蚀(shi)行(xing)为(wei)密切相(xiang)关。靶(ba)材(cai)表面的刻(ke)蚀行(xing)为受(shou)靶(ba)座(zuo)的磁(ci)场(chang)结(jie)构、靶材(cai)结构(gou)、靶(ba)材材(cai)质(zhi)、镀(du)膜工(gong)艺(yi)等(deng)多(duo)个因素的影响(xiang)[5-6]，但(dan)目前有关(guan)装饰(shi)用贵金(jin)属(shu)合(he)金靶材刻(ke)蚀(shi)行(xing)为方面(mian)的研究(jiu)报(bao)道甚(shen)少。本文(wen)以首饰镀(du)膜中(zhong)广泛(fan)应(ying)用(yong)的(de)玫(mei)瑰(gui)金Au85来(lai)制作平面靶材(cai)，利(li)用真空磁控(kong)溅射镀膜机进(jin)行(xing)镀膜(mo)，研究了(le)靶电流、溅射(she)时(shi)间、磁(ci)场(chang)布置(zhi)等因(yin)素(su)对靶材(cai)表面刻蚀行(xing)为(wei)的(de)影响，以(yi)期为(wei)首饰真空磁控溅射(she)镀膜(mo)生(sheng)产提(ti)供(gong)指(zhi)导。
1、实(shi)验
靶材(cai)材质为(wei)玫(mei)瑰金，金含(han)量85%，其(qi)余为(wei)铜和少(shao)量(liang)其(qi)他合(he)金元(yuan)素。在真(zhen)空环境下(xia)将(jiang)玫瑰金熔(rong)炼(lian)并(bing)连续铸造成板(ban)坯，接着(zhe)进行轧压(ya)，达到(dao)所需厚度后用精(jing)轧机(ji)校(xiao)平(ping)，然后(hou)用计(ji)算机数(shu)字控(kong)制技术(shu)(CNC)将靶(ba)材加(jia)工成116mm×58mm×3mm的长方(fang)体(ti)平(ping)板，表(biao)面用600#砂纸拉沙(sha)后(hou)借(jie)助压(ya)框将玫(mei)瑰金靶(ba)安(an)装(zhuang)在紫铜(tong)背(bei)板(ban)上，形(xing)成间冷(leng)靶。
采用VLD800型(xing)真(zhen)空镀(du)膜机(ji)进(jin)行溅(jian)射刻蚀(shi)试(shi)验，镀膜腔(qiang)室(shi)本(ben)底(di)真(zhen)空度(du)控(kong)制(zhi)在(zai)5×10−3Pa以(yi)下(xia)，工(gong)作(zuo)气体(ti)为(wei)99.999%高纯(chun)氩气，溅(jian)射(she)工作(zuo)真(zhen)空(kong)度(du)控(kong)制(zhi)在(zai)0.4Pa左右，靶电(dian)流(liu)0.5~3.0A，单次溅射(she)时间2~10min。
从(cong)靶材(cai)加(jia)工产生(sheng)的边(bian)角(jiao)料中取(qu)样(yang)制(zhi)作(zuo)金相(xiang)试样(yang)，试样(yang)经打(da)磨(mo)抛(pao)光后，采用(yong)浸蚀剂(ji)(2份盐(yan)酸(suan)+1份硝(xiao)酸(suan)+3份(fen)甘(gan)油(you))进(jin)行浸(jin)蚀。采用(yong)LEXTOLS4500型(xing)激光共聚焦显微镜(jing)检(jian)测靶材表面(mian)轮(lun)廓(kuo)，采(cai)用ThermoApreo2S型(xing)扫(sao)描电镜观察(cha)靶(ba)材表(biao)面形(xing)貌(mao)，采(cai)用(yong)BrukerXflash6I60EDS型(xing)能(neng)谱仪进(jin)行微(wei)区成分(fen)分(fen)析。
2、结(jie)果与讨论
2.1靶(ba)电流(liu)对辉(hui)光放(fang)电的影(ying)响
先(xian)在0.5~3.0A的(de)靶电(dian)流(liu)范(fan)围内对靶材(cai)进(jin)行试(shi)溅(jian)射，观察靶面(mian)溅射(she)状(zhuang)况(kuang)。发现当靶(ba)电流(liu)为0.5~1.0A时(shi)，辉(hui)光稳定(ding)，溅射(she)过程(cheng)较(jiao)平稳，如(ru)图(tu)1a和图1b所示。增大(da)靶(ba)电流(liu)到1.5A时，溅(jian)射过(guo)程(cheng)基(ji)本(ben)平(ping)稳(wen)，但(dan)靶面(mian)局部偶(ou)有跳跃的火(huo)花(hua)，即(ji)发生(sheng)所谓的(de)“打(da)火(huo)”现(xian)象(xiang)。加大(da)靶电流(liu)到(dao)3.0A时(shi)，溅(jian)射数(shu)分钟(zhong)后(hou)就(jiu)出(chu)现靶材(cai)熔穿(chuan)的(de)情况，如图(tu)1c所示。
真空镀膜(mo)是(shi)在(zai)低(di)气(qi)压(ya)下进(jin)行(xing)的(de)，图2示(shi)出(chu)了(le)溅射过程的辉光(guang)放电(dian)伏安(an)特(te)性曲线。当(dang)电(dian)流(liu)密(mi)度高(gao)于(yu)D点对应(ying)的值(zhi)后(hou)，众(zhong)多(duo)电子和原(yuan)子(zi)碰撞(zhuang)，导致(zhi)原子中(zhong)的(de)轨道(dao)电子受(shou)激跃迁(qian)到高能(neng)态，而后(hou)又(you)衰变(bian)到(dao)基态并发射(she)光子，大量光(guang)子(zi)形(xing)成辉光(guang)，进入(ru)正常辉(hui)光区(qu)(对(dui)应(ying)DE段)，此(ci)时电流与(yu)电(dian)压(ya)无(wu)关(guan)，即增(zeng)大电(dian)源(yuan)功率时电压不(bu)变(bian)，电流平稳增(zeng)大，放(fang)电自(zi)动调(diao)整阴(yin)极轰(hong)击(ji)面积，电流密(mi)度(du)的大小主(zhu)要与靶材(cai)材(cai)质和(he)形状，以及气体种(zhong)类(lei)和(he)压强(qiang)等(deng)因(yin)素(su)有(you)关[7]。当轰击覆(fu)盖(gai)整(zheng)个(ge)阴(yin)极表(biao)面(mian)后，随着(zhe)电源(yuan)功率(lv)的(de)进一步(bu)增大，放(fang)电电压和电(dian)流同时增(zeng)大，进入(ru)异(yi)常(chang)辉光(guang)放电区(对应(ying)EF段(duan))，此时(shi)辉光遍(bian)布整(zheng)个(ge)阴(yin)极(ji)，离子层(ceng)已(yi)无法向(xiang)四周扩(kuo)散，正离(li)子(zi)层(ceng)向阴(yin)极靠(kao)拢，如要提高电(dian)流密度，必(bi)须增大阴极压(ya)降(jiang)，使正离子具(ju)有更大(da)的能量轰击阴极，使阴(yin)极(ji)产(chan)生(sheng)更(geng)多二次(ci)电(dian)子(zi)[8]。当电(dian)流(liu)密(mi)度(du)达到某(mou)个值时，极间电压(ya)骤(zhou)降(jiang)，电(dian)流(liu)剧增(zeng)，出(chu)现低(di)压(ya)弧(hu)光(guang)放电(dian)(对(dui)应(ying)FG段(duan))，相(xiang)当于(yu)极(ji)间(jian)短(duan)路(lu)，放(fang)电(dian)集(ji)中(zhong)在(zai)阴极局(ju)部，容易引(yin)起(qi)靶(ba)材(cai)熔融(rong)烧(shao)毁。由于(yu)在(zai)正常辉(hui)光区(qu)域功率密度(du)不(bu)高，溅(jian)射(she)效率低，因(yin)此(ci)一般选择异常辉(hui)光(guang)放(fang)电(dian)区(qu)进行(xing)磁(ci)控(kong)溅(jian)射(she)。本工(gong)艺的(de)玫(mei)瑰金靶材(cai)是以(yi)压框(kuang)紧(jin)固(gu)的(de)方(fang)式(shi)安装(zhuang)在紫铜背(bei)板(ban)上的，主(zhu)要(yao)通(tong)过紫铜背板(ban)来进(jin)行冷(leng)却(que)。靶(ba)材(cai)厚度有(you)限(xian)，在(zai)溅(jian)射(she)过程(cheng)中，随着(zhe)刻蚀深(shen)度(du)的(de)增(zeng)大，靶材因(yin)氩(ya)离子高速(su)轰(hong)击(ji)而(er)发热(re)膨(peng)胀，产(chan)生拱(gong)曲(qu)变(bian)形，导(dao)致(zhi)靶材底面与(yu)紫(zi)铜背板之(zhi)间的缝(feng)隙(xi)加大，影(ying)响(xiang)靶(ba)材(cai)的冷(leng)却(que)，靶(ba)电流达(da)到一(yi)定值时(shi)，靶(ba)材温(wen)度(du)将(jiang)快(kuai)速(su)上升，并(bing)在(zai)局部(bu)产生(sheng)弧(hu)光放(fang)电，导(dao)致局(ju)部熔融(rong)[9]。
2.2磁(ci)场(chang)设(she)置(zhi)对靶(ba)面(mian)刻(ke)蚀(shi)行为(wei)的(de)影(ying)响
将(jiang)靶(ba)电流设为1.0A，靶(ba)材溅(jian)射(she)累计60min后(hou)在(zai)超景(jing)深显(xian)微镜(jing)下观察(cha)其刻(ke)蚀区域(yu)形貌(mao)。如图(tu)3所示(shi)，刻(ke)蚀(shi)区(qu)呈现环(huan)形沟(gou)槽(cao)状，表(biao)面(mian)较明(ming)亮(liang)，而邻近(jin)刻蚀(shi)区(qu)的(de)表面(mian)较(jiao)暗，出现(xian)棕色(se)斑(ban)点(dian)。
采用(yong)激(ji)光(guang)共聚焦(jiao)显微镜扫描靶(ba)材(cai)表(biao)面(mian)部(bu)分(fen)刻蚀(shi)区域(yu)，结果如(ru)图(tu)4所(suo)示。左图(tu)是靶面(mian)刻蚀(shi)后法向位(wei)置(zhi)的分布(bu)情(qing)况(kuang)，右图(tu)的颜色(se)标(biao)尺(chi)对应靶面法(fa)向的位置(zhi)。从中(zhong)可(ke)见(jian)，靶(ba)材(cai)表(biao)面刻(ke)蚀(shi)区域呈(cheng)蓝(lan)色(se)，但不(bu)同部(bu)位(wei)的(de)蓝(lan)色(se)深浅(qian)不(bu)一(yi)，说(shuo)明存在(zai)刻蚀深度(du)不(bu)均(jun)匀(yun)的(de)现(xian)象(xiang)。
在刻蚀(shi)区(qu)域选(xuan)择较具(ju)代(dai)表(biao)性(xing)的7个位(wei)点进(jin)行断(duan)面扫(sao)描，发现刻(ke)蚀区(qu)域的(de)断面(mian)轮廓(kuo)呈现(xian)V形槽(cao)的(de)形状(zhuang)(如(ru)图5所示)。表1给出了(le)不同(tong)位点的(de)刻蚀(shi)深度和斜(xie)坡夹角(jiao)。从中可(ke)知，靠(kao)近(jin)靶材(cai)直(zhi)线(xian)段(duan)(对(dui)应P1−P4)的(de)刻蚀(shi)深度明显比弧(hu)形(xing)段(对(dui)应(ying)P5−P7)更深(shen)。除(chu)了靠近靶(ba)材端(duan)部(bu)的(de)弧形段刻(ke)蚀区(qu)外(wai)，其(qi)余部位的总夹角基(ji)本(ben)一致(zhi)，而且(qie)左(zuo)右(you)两(liang)边(bian)的(de)斜坡(po)夹(jia)角(jiao)差异(yi)也(ye)较小(xiao)。靶材的(de)溅(jian)射产额与入射(she)粒子的(de)入射(she)角(jiao)有关(guan)，斜入射的溅射(she)产(chan)额(e)高(gao)于(yu)正入(ru)射(she)的(de)溅(jian)射产(chan)额(e)[2]。当入射(she)角处(chu)于某数(shu)值范围内时(shi)，溅射产额达到最大(da)值，入(ru)射(she)角(jiao)过(guo)低(di)或(huo)过(guo)高(gao)都不利(li)于溅射产额提(ti)高，特(te)别是当(dang)入(ru)射(she)角(jiao)为(wei)90°时(即正入射)溅射产(chan)额基(ji)本为(wei)零。从(cong)本(ben)试(shi)验结(jie)果来看(kan)，氩离子(zi)轰(hong)击(ji)刻(ke)蚀靶面(mian)的平(ping)均入射(she)角(jiao)为(wei)75°~76°，该角(jiao)度的刻(ke)蚀(shi)深度最(zui)大。
表面刻蚀区(qu)分(fen)布与电(dian)磁(ci)场设置(zhi)密切(qie)相关(guan)。本试(shi)验的(de)磁场(chang)设置如(ru)图(tu)6所示，水冷槽四(si)周紧密(mi)排(pai)列着多个(ge)永磁铁(tie)块，上(shang)端(duan)为(wei)N极，下端(duan)为S极(ji)；中(zhong)心部(bu)位也分(fen)段(duan)设(she)置了(le)多(duo)个永磁铁(tie)块，上(shang)端(duan)为S极(ji)，下端为N极(ji)。如(ru)此，四周磁(ci)铁与中(zhong)心(xin)磁(ci)铁(tie)构(gou)成(cheng)了(le)1个(ge)环(huan)形(xing)磁场B，进行溅(jian)射(she)作(zuo)业时(shi)靶(ba)材(cai)与基材之(zhi)间施加(jia)的(de)电场E则与磁(ci)场(chang)B共(gong)同(tong)构成(cheng)电(dian)磁(ci)场。
辉光(guang)放电会形(xing)成氩等(deng)离(li)子(zi)体(ti)，其中的(de)氩(ya)离子(zi)在(zai)电(dian)场(chang)作用(yong)下(xia)向(xiang)阴(yin)极(ji)靶(ba)材移(yi)动，穿过阴(yin)极(ji)暗(an)区时(shi)得到(dao)加(jia)速，轰击靶(ba)材，溅(jian)射(she)出(chu)靶(ba)材(cai)原子(zi)和二(er)次电子。根(gen)据(ju)磁控(kong)放(fang)电原理(li)，靶材表面(mian)的(de)磁(ci)场强(qiang)度(du)可(ke)分解(jie)为(wei)平行于电(dian)场和垂直于(yu)电场(chang)两(liang)个矢量的(de)分(fen)强(qiang)度，分别(bie)用Bp和Bv表(biao)示。Bp与电场(chang)E形(xing)成正交电磁场(chang)，电子在(zai)正交电磁(ci)场(chang)中受(shou)到洛伦兹(zi)力F的作用(yong)，即(ji)F=q(E+v×B)，其中(zhong)B为磁(ci)场强(qiang)度(du)，E为(wei)电(dian)场强度(du)，q为电(dian)子电(dian)量(liang)，v为电子运动速度(du)。如图7所(suo)示(shi)，二次电(dian)子被(bei)洛伦兹(zi)力(li)束(shu)缚(fu)在靶(ba)材表(biao)面做轮摆(bai)线(xian)运(yun)动，即一(yi)边做(zuo)圆(yuan)周(zhou)运动，一(yi)边(bian)做(zuo)切(qie)割(ge)磁(ci)力线(xian)的飘移运(yun)动(dong)，增加(jia)了(le)电子与(yu)气体原子的碰撞(zhuang)概率(lv)，使(shi)氩(ya)原(yuan)子离(li)化率提(ti)高，在(zai)电场作(zuo)用下(xia)返(fan)回靶(ba)表(biao)面(mian)进行(xing)溅(jian)射(she)的(de)氩(ya)离子(zi)密度(du)增(zeng)大(da)，溅(jian)射速(su)率随(sui)之提(ti)高(gao)[10-11]。溅(jian)射出(chu)来(lai)的中性(xing)原子则(ze)不(bu)受电磁场(chang)的(de)约束(shu)，而向(xiang)基体迁移，最(zui)后在基(ji)体(ti)表面(mian)沉积(ji)成(cheng)膜(mo)。
由(you)于靶面不(bu)同(tong)部(bu)位(wei)的磁(ci)力(li)线分布不(bu)同(tong)，靠近磁(ci)铁(tie)的(de)磁力(li)线(xian)密(mi)集(ji)，远离(li)磁(ci)铁的磁(ci)力线(xian)稀(xi)疏。电(dian)子做摆(bai)线(xian)运(yun)动时(shi)，其回旋(xuan)半径R与(yu)磁(ci)场强(qiang)度(du)B呈(cheng)反(fan)比，即(ji)R=mv/(qB)，其中m为(wei)电子质量(liang)。但(dan)电子在(zai)磁力(li)线(xian)密(mi)集区(qu)时回旋(xuan)半(ban)径小，运行路(lu)程(cheng)短(duan)，与气体碰(peng)撞(zhuang)的(de)作(zuo)用较(jiao)弱，氩(ya)离(li)子产(chan)生的(de)概率(lv)及(ji)其能量(liang)都较(jiao)小(xiao)，使(shi)该处(chu)对(dui)靶材的刻蚀深度(du)较浅。在电(dian)子从磁(ci)力(li)线(xian)密(mi)集区(qu)运(yun)动(dong)到稀疏(shu)区(qu)的过(guo)程中，电(dian)子的回(hui)旋半径(jing)逐(zhu)渐增大(da)，运动(dong)路(lu)程(cheng)加(jia)长(zhang)，与气体(ti)碰撞(zhuang)产生氩离子的概(gai)率也(ye)增(zeng)大(da)；同(tong)时氩离子在(zai)电场(chang)作(zuo)用下(xia)加(jia)速(su)飞(fei)向靶(ba)材的飞行(xing)距(ju)离(li)加(jia)大(da)，其(qi)到(dao)达靶面(mian)时获(huo)得(de)的(de)能量(liang)也(ye)更(geng)大，于是(shi)靶材(cai)表(biao)面被刻蚀的(de)深(shen)度逐(zhu)渐加大。当电(dian)子(zi)运(yun)动(dong)到磁(ci)力(li)线(xian)最(zui)高点时，回旋(xuan)半径R及(ji)平行于(yu)电(dian)场(chang)的(de)磁场(chang)分(fen)强(qiang)度Bp均(jun)达到(dao)最大值，对(dui)电子(zi)的约(yue)束(shu)力也(ye)最(zui)强。电子集(ji)中(zhong)在(zai)此(ci)区(qu)域，与氩原(yuan)子碰(peng)撞概率(lv)及形(xing)成的氩离子(zi)密度最(zui)大(da)，对(dui)靶(ba)材(cai)的刻蚀作用(yong)也(ye)最强。正是(shi)由(you)于电子(zi)在正交(jiao)电磁场(chang)的(de)运(yun)动特点，靶材表(biao)面(mian)才(cai)形成(cheng)了V形刻蚀(shi)沟(gou)槽。
当(dang)刻(ke)蚀区域(yu)接近靶(ba)材两(liang)端时，刻蚀深(shen)度减小(xiao)。这是因(yin)为(wei)本试(shi)验中的(de)矩形平面(mian)靶磁(ci)场存(cun)在(zai)端(duan)部效应(ying)，端(duan)部的磁场相比(bi)于中间部位(wei)更(geng)强，造(zao)成(cheng)端部(bu)氩离子(zi)对(dui)靶面(mian)的刻蚀(shi)作(zuo)用(yong)较(jiao)小(xiao)，刻蚀(shi)深(shen)度(du)也(ye)就浅(qian)一些(xie)。
2.3功(gong)率(lv)密(mi)度对(dui)刻蚀区(qu)形(xing)貌的(de)影响
图(tu)8所示为靶(ba)材(cai)表面(mian)的(de)初(chu)始形貌(mao)与(yu)抛(pao)光(guang)+浸(jin)蚀后的形(xing)貌(mao)。由(you)于经(jing)过(guo)拉沙(sha)处(chu)理(li)，靶材表面明显可见(jian)砂(sha)痕(hen)，沙(sha)面总体(ti)均(jun)匀；另(ling)外由(you)于(yu)靶(ba)材经(jing)过轧(ya)压处理(li)，因(yin)此呈现(xian)典(dian)型(xing)的(de){011}<211>织构。图9是靶材(cai)经(jing)不同靶(ba)电流溅射后(hou)刻(ke)蚀(shi)槽底(di)部的微观形(xing)貌。
采用(yong)激(ji)光(guang)共(gong)聚(ju)焦(jiao)显(xian)微(wei)镜(jing)检测(ce)刻蚀(shi)区(qu)的(de)表面积S，再(zai)根据溅射(she)过(guo)程(cheng)中的靶电流(liu)I及相应(ying)的(de)靶(ba)电(dian)压U，按照功率(lv)密(mi)度(du)D=IU/S计(ji)算出(chu)不同靶电流(liu)时的功率(lv)密度，结(jie)果如图10所(suo)示(shi)。随着靶(ba)电(dian)流(liu)的(de)增(zeng)大，作用在刻(ke)蚀区的功率密(mi)度(du)增(zeng)大(da)。
当靶电流为(wei)0.5A时(shi)，功(gong)率密度低(di)(约12W/cm2)，靶面(mian)温升(sheng)小(xiao)，其表面基本(ben)保持(chi)着最(zui)初(chu)的(de)晶(jing)粒取向，靶(ba)面(mian)粒子(zi)以(yi)碰(peng)撞溅射方(fang)式脱(tuo)离(li)，在高(gao)倍下可(ke)见(jian)大(da)量的阶梯状(zhuang)直线(xian)条(tiao)纹(wen)(见图(tu)9a)。这(zhe)说(shuo)明(ming)氩(ya)离(li)子轰击(ji)靶面时(shi)，靶材粒(li)子(zi)会优先沿着某个(ge)晶(jing)面(mian)逐层溅射(she)出来。靶(ba)电(dian)流增大(da)到(dao)1.0A时，功率(lv)密度(du)增大(da)到28W/cm2左右(you)，氩(ya)离(li)子(zi)碰(peng)撞溅射的(de)强(qiang)度和频(pin)次(ci)增大(da)，靶面温(wen)度(du)上升(sheng)，使择(ze)优(you)取(qu)向(xiang)的晶(jing)粒(li)逐(zhu)步(bu)发(fa)生再(zai)结(jie)晶，形成不同(tong)取向的多(duo)晶结构(gou)，阶梯状(zhuang)直(zhi)线条(tiao)纹更加清晰(见图9b)，并且(qie)不(bu)同取向(xiang)的(de)晶(jing)粒经(jing)溅射(she)后(hou)，它们(men)的显微形(xing)貌有(you)明显(xian)差(cha)异(yi)。增大(da)靶(ba)电流(liu)到(dao)1.5A时(shi)对应的功率密度为(wei)47W/cm2，刻(ke)蚀(shi)槽(cao)底部表面(mian)呈(cheng)现(xian)密(mi)集的乳(ru)突状形貌(mao)，乳(ru)突(tu)间存在空隙，乳(ru)突顶面存(cun)在(zai)台(tai)阶(jie)纹(wen)(见(jian)图(tu)9c)；局部(bu)还出(chu)现(xian)一(yi)些(xie)光滑(hua)的凹(ao)状斑(ban)，在(zai)高(gao)倍(bei)下看呈(cheng)典(dian)型的等轴状(zhuang)晶(jing)粒(li)形(xing)貌(mao)(见(jian)图9d)，这(zhe)些部(bu)位与(yu)偶发(fa)的(de)弧(hu)光(guang)放电(dian)位(wei)置有(you)较好(hao)的对应(ying)性，说(shuo)明(ming)靶面(mian)离(li)子(zi)的溅(jian)射(she)方(fang)式(shi)发生(sheng)了(le)改(gai)变(bian)。靶电流的(de)提高增大(da)了(le)功率(lv)密(mi)度(du)，氩离(li)子(zi)撞击靶(ba)面(mian)的频(pin)次与(yu)动(dong)能随(sui)之增加(jia)，引(yin)起(qi)靶面(mian)温度明显(xian)升(sheng)高(gao)，刻蚀(shi)区域内的靶(ba)面发(fa)生充(chong)分的再(zai)结晶，晶(jing)界被优先(xian)溅射，晶界处的原(yuan)子(zi)和(he)离子快速离开，沿着(zhe)晶(jing)界(jie)向晶内逐渐(jian)扩(kuo)展而(er)形成(cheng)乳突状的形(xing)貌(mao)。同时(shi)，功率(lv)密度提(ti)高(gao)为靶面电子(zi)和原子(zi)的热发(fa)射(she)脱靶创(chuang)造(zao)了条(tiao)件[12-13]，电(dian)子会(hui)在(zai)晶界、缺陷(xian)等低逸出(chu)功(gong)区域(yu)发生明(ming)显的聚集性逸出，引起弧(hu)光放(fang)电，并(bing)由此产(chan)生(sheng)了(le)高(gao)密度等离(li)子(zi)体，使(shi)局部(bu)靶(ba)面(mian)瞬间被(bei)加(jia)热(re)到(dao)极高(gao)温度(du)而(er)熔(rong)化(hua)、蒸发甚至(zhi)喷射，形成整(zheng)平(ping)效(xiao)果(guo)，在(zai)碰撞(zhuang)溅射(she)和(he)热发(fa)射(she)的(de)联(lian)合(he)作(zuo)用下(xia)，在(zai)晶界(jie)、亚晶(jing)界(jie)等(deng)部(bu)位的粒(li)子(zi)优先脱(tuo)离(li)，使(shi)该区(qu)呈现出(chu)等轴(zhou)晶(jing)粒。如果靶(ba)材(cai)的(de)冷却效(xiao)果(guo)不(bu)佳(jia)时，或进一步提高靶电流，则弧光(guang)放(fang)电的(de)程(cheng)度加(jia)强，使(shi)该(gai)区温度激增，直(zhi)至引起(qi)靶材(cai)被熔穿，图1c所示(shi)靶(ba)电(dian)流为(wei)3.0A时(shi)的(de)实验(yan)结果即(ji)验证了这点(dian)。
3、结论
1)试验矩形(xing)平(ping)面(mian)靶(ba)在靶电(dian)流(liu)为(wei)0.5~1.0A时，辉(hui)光(guang)稳定(ding)，溅(jian)射过程(cheng)较(jiao)平(ping)稳；靶电(dian)流为1.5A时，偶(ou)有弧光放电(dian)现象(xiang)发生；靶电(dian)流(liu)为3.0A时，在(zai)短时(shi)间(jian)内就(jiu)出(chu)现(xian)靶材熔穿(chuan)的(de)问(wen)题(ti)。
2)电子(zi)在正交(jiao)电(dian)磁(ci)场的(de)运(yun)动(dong)特(te)点(dian)导致靶材(cai)表面(mian)形(xing)成(cheng)了(le)V形(xing)刻蚀(shi)沟(gou)槽(cao)，刻(ke)蚀(shi)区(qu)斜(xie)坡(po)与靶(ba)面(mian)法向夹角(jiao)平均(jun)为(wei)75°~76°。靶(ba)座的(de)磁(ci)场(chang)布(bu)置存(cun)在端部(bu)效(xiao)应，使(shi)刻(ke)蚀(shi)槽(cao)的(de)深(shen)度分布(bu)不均。
3)功(gong)率(lv)密(mi)度为(wei)12~28W/cm2时，靶材粒(li)子会(hui)优先(xian)沿着(zhe)某(mou)个晶面(mian)逐层(ceng)溅(jian)射出(chu)来，形(xing)成阶梯状(zhuang)直线条(tiao)纹(wen)；随着(zhe)功率(lv)密(mi)度(du)提高(gao)，阶(jie)梯(ti)状直线(xian)条纹(wen)更(geng)加(jia)清晰(xi)；功(gong)率密(mi)度(du)为(wei)47W/cm2时(shi)，靶面(mian)层(ceng)晶界(jie)被(bei)优先(xian)溅(jian)射(she)，形(xing)成乳突(tu)状显微形貌(mao)，并在局部呈(cheng)现(xian)等轴(zhou)晶(jing)粒(li)。
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