本文设计了一种新型圆形平面阴极磁控溅射源。该源具有独特的三极线圈结构,改变各线圈励磁电流可调节靶面磁场强度的大小和分布。通过对系统气体放电伏安特性随各线圈励磁电流大小变化规律的分析,以及对距靶面60mm 基片台处等离子体束流密度大小和分布的测试,探讨了阴极磁场分布对磁控溅射系统伏安特性的影响。实验结果表明阴极磁场分布模式对气体放电稳定性和等离子体分布影响显著,当阴极磁场呈现收敛型分布时,二次电子被紧密束缚在靶面附近,降低了基片台附近等离子体束流密度,却增大等离子体束流径向分布均匀性。调节非平衡线圈励磁电流,在附加磁场的作用下,阴极磁场呈现发散型分布,二次电子被引向基片台附近,使得基片台附近等离子体束流密度显著增加但径向均匀性变差。

　　磁控溅射技术是目前最重要的薄膜制备技术之一。与其他薄膜制备技术相比,磁控溅射系统控制方便,工艺稳定,更适合于工业化生产要求。因此,近年来被广泛用于力学、光学、电学等各种功能材料薄膜的制备。然而,在常规的磁控溅射系统中,由于磁场对二次电子的控制过于严密,使等离子体限制在阴极靶表面附近,造成阴极靶材的利用率和离化率偏低,制备薄膜致密度和附着力不够理想等问题。1986 年,Window 提出了“非平衡磁控溅射源”的概念,通过改变溅射源内外磁极的磁场强度,调整等离子体的分布,部分克服了常规磁控溅射的缺点。随着非平衡磁控溅射技术在TiN ,DLC 等薄膜制备中的成功应用 ,这种新的设计思想逐渐为研究者广泛关注,通过改变磁控溅射阴极源磁路结构和磁场产生方式,设计新型的磁控溅射源,成为磁控溅射新技术研究的一种主要途径。本文是在磁控溅射装置的基础上,研制了一种新型的磁控溅射电磁阴极源,通过改变电磁线圈励磁电流大小,控制磁场强度和工作模式的方法,初步研究了磁场分布的变化对阴极源气体放电特性的影响。

1、实验设计

　　实验采用靶面直径300mm 平面圆形磁控溅射,靶材选用不导磁的1Cr18Ni9Ti 不锈钢材料,循环水冷却磁控溅射靶。阴极采用电磁铁,放置于靶材下部,其结构如图1 所示,为了能适合大面积沉积薄膜的要求,极磁路采用独特的三极结构,其心部磁极和中部磁极的励磁线圈反向串接,通过匹配心部和中部铁芯的面积,使心部和中部磁极端面的磁通量相等,形成平衡磁控阴极结构,因此这两个线圈称之为平衡线圈,外部的励磁线圈可使磁控溅射源工作于非平衡工作状态,称之为非平衡线圈。两组线圈的电流均可在0～2.5A 的工作范围内调节,通过调整电流的大小,可以实现控制靶面磁场分布。电磁线圈与阴极靶完全绝缘以确保溅射源能安全工作。实验中,只有内部平衡线圈工作时磁控源工作处于平衡模式,内外线圈同时工作则为非平衡模式。为了比对两种模式下线圈电流大小对磁场分布的影响,采用CT3 特斯拉计对不同状态下靶面1cm 处水平磁场的大小进行了测量。

　　实验中真空室本底真空为5.0 ×10 ^{- 3} Pa ,工作气体为氩气。真空系统的真空度和气体流量分别由真空计和质量流量计来调节控制,磁控溅射源由额定功率为20kW 的直流磁控电源供电,电源工作在恒流状态。采用法拉第探针测量等离子体束流密度,探针采集器为不锈钢材料,实验中,将探针放置在靶前60mm 的基片台上,平行于阴极靶面以收集离子束流,由于工作中放电会引起气压波动,实验中氩气流量为控制在180sccm ,工作气压在0.3Pa～0.7Pa范围变化。

图1 　磁控溅射阴极结构示意图

3、结论

　　磁控溅射源阴极磁场分布对溅射系统的工作特性影响至为重要,实验设计了一种新型的三级线圈结构的电磁阴极源,通过调整电磁线圈电流的大小调节靶面磁场的大小和分布,可以有效地影响溅射系统的气体放电特性和等离子体的密度。研究结果表明:

　　(1) 通过调整线圈的工作状态,可以方便地实现磁控溅射源阴极磁场的调制,使溅射源在不同的工作模式下工作;

　　(2) 所设计的磁控溅射源具有较高的电子束缚系数,并且随着电磁线圈电流大小的变化而变化。当溅射源磁场呈现收敛型分布时,磁场越强,对二次电子的控制能力就越强,但是过高的磁场也会导致电子束缚系数的变小;当溅射源阴极磁场呈现发散型分布时,磁场对二次电子的控制能力也会随之下降;

　　(3) 当溅射源磁场呈现收敛型分布时, 靶前60mm 处等离子体束流密度较低,但均匀性较好,而溅射源磁场呈现发散型分布时,靶前等离子体束流密度显著增加,但均匀性较差。