平衡磁控濺射和非平衡磁控濺射

2021/12/08

平衡磁控濺射即傳統(tǒng)的磁控濺射，是在陰極靶材背后放置芯部與外環(huán)磁場強(qiáng)度相等或相近的永磁體或電磁線圈，在靶材表面形成與電場方向垂直的磁場。沉積室充入一定量的工作氣體，通常為Ar，在高壓作用下Ar 原了電離成為Ar+離子和電子，產(chǎn)生輝光放電，Ar+ 離子經(jīng)電場加速轟擊靶材，濺射出靶材原子、離子和二次電子等。

   電子在相互垂直的電磁場的作用下，以擺線方式運(yùn)動(dòng)，被束縛在靶材表面，延長了其在等離子體中的運(yùn)動(dòng)軌跡，增加其參與氣體分子碰撞和電離的過程，電離出更多的離子，提高了氣體的離化率，在較低的氣體壓力下也可維持放電，因而磁控濺射既降低濺射過程中的氣體壓力，也同時(shí)提高了濺射的效率和沉積速率。但平衡磁控濺射也有不足之處，例如：由于磁場作用，輝光放電產(chǎn)生的電子和濺射出的二次電子被平行磁場緊緊地約束在靶面附近，等離子體區(qū)被強(qiáng)烈地束縛在靶面大約60 mm 的區(qū)域，隨著離開靶面距離的增大，等離子濃度迅速降低，這時(shí)只能把工件安放在磁控靶表面50～100 mm的范圍內(nèi)，以增強(qiáng)離子轟擊的效果。這樣短的有效鍍膜區(qū)限制了待鍍工件的幾何尺寸，不適于較大的工件或裝爐量，制約了磁控濺射技術(shù)的應(yīng)用。且在平衡磁控濺射時(shí)，飛出的靶材粒子能量較低，膜基結(jié)合強(qiáng)度較差，低能量的沉積原子在基體表面遷移率低，易生成多孔粗糙的柱狀結(jié)構(gòu)薄膜。提高被鍍工件的溫度固然可以改善膜層的結(jié)構(gòu)和性能，但是在很多的情況下，工件材料本身不能承受所需的高溫。

   非平衡磁控濺射的出現(xiàn)部分克服了以上缺點(diǎn)，將陰極靶面的等離子體引到濺射靶前200～300 mm 的范圍內(nèi)，使基體沉浸在等離子體中，如圖所示。這樣，一方面，濺射出來的原子和粒子沉積在基體表面形成薄膜，另一方面，等離子體以一定的能量轟擊基體，起到離子束輔助沉積的作用，大大的改善了膜層的質(zhì)量，非平衡磁控濺射系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)，一種是其芯部磁場強(qiáng)度比外環(huán)高，磁力線沒有閉合，被引向真空室壁，基體表面的等離子體密度低，因此該方式很少被采用。另一種是外環(huán)磁場強(qiáng)度高于芯部磁場強(qiáng)度，磁力線沒有完全形成閉合回路，部分外環(huán)的磁力線延伸到基體表面，使得部分二次電子能夠沿著磁力線逃逸出靶材表面區(qū)域，同時(shí)再與中性粒子發(fā)生碰撞電離，等離子體不再被完全限制在靶材表面區(qū)域，而是能夠到達(dá)基體表面，進(jìn)一步增加鍍膜區(qū)域的離子濃度，使襯底離子流密度提高，通?？蛇_(dá)5 mA/cm2 以上。這樣濺射源同時(shí)又是轟擊基體表面的離子源，基體離子束流密度與靶材電流密度成正比，靶材電流密度提高，沉積速率提高，同時(shí)基體離子束流密度提高，對(duì)沉積膜層表面起到一定的轟擊作用。

   非平衡磁控濺射離子轟擊在鍍膜前可以起到清洗工件的氧化層和其他雜質(zhì)，活化工件表面的作用，同時(shí)在工件表面上形成偽擴(kuò)散層，有助于提高膜層與工件表面之間的結(jié)合力。在鍍膜過程中，載能的帶電粒子轟擊作用可達(dá)到膜層的改性目的。比如，離子轟擊傾向于從膜層上剝離結(jié)合較松散的和凸出部位的粒子，切斷膜層結(jié)晶態(tài)或凝聚態(tài)的優(yōu)勢(shì)生長，從而生更致密，結(jié)合力更強(qiáng)，更均勻的膜層，并可以較低的溫度下鍍出性能優(yōu)良的鍍層。

   非平衡磁控濺射技術(shù)的運(yùn)用，使平衡磁控濺射遇到的沉積致密、成分復(fù)雜薄膜的問題得以解決，然而單獨(dú)的非平衡磁控靶在復(fù)雜基體上較難沉積出均勻的薄膜，而且在電子飛向基體的過程中，隨著磁場強(qiáng)度的減弱，一部分電子吸附到真空室壁上，導(dǎo)致電子和離子的濃度下降。對(duì)此研究人員開發(fā)出多靶非平衡磁控濺射系統(tǒng)，以彌補(bǔ)單靶非平衡磁控濺射的不足。多靶非平衡磁控濺射系統(tǒng)根據(jù)磁場的分布方式可以分為相鄰磁極相反的閉合磁場非平衡磁控濺射和相鄰磁極相同的鏡像磁場非平衡磁控濺射，如圖為雙靶閉合磁場和雙靶鏡像磁場.

   比較閉合磁場非平衡靶對(duì)和鏡像靶對(duì)的磁場分布情況，可以看出在靶材表面附近磁場差別不大，內(nèi)外磁極之間橫向磁場對(duì)電子的約束形成一個(gè)電離度很高的等離子體陰極區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)的正離子對(duì)靶面的強(qiáng)烈濺射刻蝕，濺射出大量靶材粒子飛向基體表面。在內(nèi)部和外環(huán)磁極的位置，特別是較強(qiáng)的外環(huán)磁極處，以縱向磁場為主，成為二次電子逃離靶面的主要通道，進(jìn)而成為向鍍膜區(qū)域輸送帶電粒子的主要通道。再比較閉合磁場和鏡像磁場在鍍膜區(qū)域內(nèi)磁場分布，差別就大了，對(duì)于鏡像靶對(duì)，由于兩個(gè)靶磁場的相互排斥，縱向磁場都被迫向鍍膜區(qū)外（真空室壁）彎曲，電子被引導(dǎo)到真空室壁上流失，總體上降低了電子進(jìn)而離子的數(shù)量。由于鏡像磁場方式不能有效地束縛電子，因而等離子體的濺射效率未有得到提高。而閉合磁場非平衡靶對(duì)在鍍膜區(qū)域的縱向磁場是閉合的。只要磁場強(qiáng)度足夠，電子就只能在鍍膜區(qū)域和兩個(gè)靶之間運(yùn)動(dòng)，避免了電子的損失，從而增加了鍍膜區(qū)域的離子濃度，大幅度提高了濺射效率。