CN103834922A - 一种非平衡磁控溅射离子镀磁场闭合状态控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非平衡磁控溅射离子镀磁场闭合状态控制方法，在靶材（2）内侧设有夹具（3），夹具（3）与靶材（2）之间形成闭合磁场（4），靶材（2）上的离子受磁场轰击，离子在磁场约束的环境中，向夹具（3）悬挂镀件方向沉积。本发明使相邻磁控管的所述外磁极为相反极性，使得磁场在所述外磁极之间延伸，以防止离子化的电子在相邻磁控管之间的实质逃逸，是的电子不会损失且可以增强离子化形核速率和镀层的组织结构和致密性增强，并使得镀层更加均匀。
Description
技术领域
本发明涉及一种非平衡磁控溅射离子镀磁场闭合状态控制方法，属于非平衡磁控溅射离子镀技术领域。
背景技术
在真空中制备膜层，包括镀制晶态的金属、半导体、绝缘体等单质或化合物膜。虽然化学汽相沉积也采用减压、低压或等离子体等真空手段，但一般真空镀膜是指用物理的方法沉积薄膜。
非平衡磁控溅射离子镀技术在真空镀膜领域的应用极大地改善了镀膜质量及效率。但在工业应用过程中发现，该技术在处理一些高精密、大尺寸、表面形状复杂、特别是一些对镀层性能有特殊要求的配件时，常存在性能不符合及镀膜厚度不均等现象，往往不能很好满足所加工配件的精密度及特殊性能指标，从而限制了该技术的应用范围。在此背景下，我们设计了多种非平衡闭合场磁控溅射离子镀技术，通过调整磁力线在不同靶材之间闭合状态来改变沉积粒子的损耗比率及工件表面粒子浓度，从而达到有效解决产品性能不达标及厚度不均的现实问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种非平衡磁控溅射离子镀磁场闭合状态控制方法，使用这种方法使相邻磁控管的所述外磁极为相反极性，使得磁场在所述外磁极之间延伸，以防止离子化的电子在相邻磁控管之间的实质逃逸，是的电子不会损失且可以增强离子化形核速率和镀层的组织结构和致密性增强，并使得镀层更加均匀。
本发明的技术方案：一种非平衡磁控溅射离子镀磁场闭合状态控制方法，在靶材内侧设有夹具，夹具与靶材之间形成闭合磁场，靶材上的离子受磁场轰击，离子在磁场约束的环境中，向夹具悬挂镀件方向沉积。
前述的这种非平衡磁控溅射离子镀磁场闭合状态控制方法中，所述闭合磁场采用靶材上磁控管形成磁场。
前述的这种非平衡磁控溅射离子镀磁场闭合状态控制方法中，所述磁控管具有内磁极和外磁极，所述外磁极的极性与所述内磁极极性相反。
前述的这种非平衡磁控溅射离子镀磁场闭合状态控制方法中，所述磁控管采用2个NSN型磁控管和2个SNS型磁控管对靶放置。
前述的这种非平衡磁控溅射离子镀磁场闭合状态控制方法中，所述磁控管均采用非平衡磁控管，且所述任意相邻磁控管之间外磁极极性相反，使磁场在所述外磁极之间延伸。
前述的这种非平衡磁控溅射离子镀磁场闭合状态控制方法中，所述相邻磁控管之间反向磁极形成磁场产生等离子体保持场。
与现有技术相比，使相邻磁控管的所述外磁极为相反极性，使得磁场在所述外磁极之间延伸，以防止离子化的电子在相邻磁控管之间的实质逃逸，是的电子不会损失且可以增强离子化形核速率和镀层的组织结构和致密性增强，并使得镀层更加均匀。
由图2可以看出，从不同磁场闭合状态平均靶电流和基体偏流来看，磁场闭合状态的改变对磁控溅射系统平均靶电压的影响很小，即对溅射功率影响很小；但是磁场闭合状态对基体偏流影响很大，随着磁场闭合程度的增加基体偏流上升很快，使得在不同的磁场闭合状态下离子对基体表面和镀层组织的轰击作用增加，从而影响到在离子轰击作用下基体表面的浓度、形核速率以及镀层的组织结构和致密性。
通过图3可以表明，通过对四个磁控管按照不同方式排布所形成不同的磁场闭合状态进行模拟发现，随着磁场闭合程度的增加，在相邻或相对磁控管之间形成镜像型磁场的数目减少，而形成闭合型磁场的数目增多。从而使得随着磁场闭合程度的增加，磁力线扩展到真空腔体中央部分基体附近区域的密度和均匀性增加，进而使真空腔体内部磁场束缚的二次电子数目增多，有利于提高氩气原子的离化率以及离子对基体表面和镀层组织的轰击效应。
通过对图4及图5的分析，不同磁场闭合状态下镀层沉积速率随磁场闭合程度的增加而减小，分析原因是随着磁场闭合程度的增加，沉积镀层过程中离子对镀层的轰击效应增强，一方面使得镀层结构致密，另一方面可能引起反溅作用，从而导致镀层沉积速率随磁场闭合程度的增加而减小。
半闭合状态，Cr镀层表面相对较平整，没有出现空隙等缺陷，镀层致密度较高。Cr镀层截面组织为较致密的柱状晶体组织，即半闭合状态有利于制备致密柱状晶组织的镀层。
完全闭合状态，Cr镀层表面平整光滑均匀、致密。Cr镀层截面组织为致密的纤维状晶体，具有一定的方向性，镀层致密度最高，表面粗糙度最小。即完全闭合状态可用于制备具有高硬度及高致密性的纤维状组织的镀层。由于全闭合状态下，工件表面沉积粒子浓度最高且分布较均匀，所以更易于提高镀层厚度的均匀性。
综合以上结论可知，在不同磁场闭合状态下，由于基体偏流，基体表面温度等参数均随磁场闭合程度的增加而增大，使得镀层在沉积过程中受到的离子轰击能量存在差异，从而导致了镀层生长温度不同，最终表现为镀层不同的晶体生长方式、沉积速率和扩散速率共同影响着Cr镀层生长过程中的镀层的晶体结构，也影响着表面粗糙度、晶体类型和致密性。
以上试验结果表明，在非平衡磁控溅射离子镀工艺过程中，磁场闭合程度直接影响着真空溅射系统中磁场的存在方式及所制备镀层的厚度、沉积电参数、沉积温度、微观组织形貌及表面粗糙度等重要应用指标，从而直接决定了其应用范围及价值。
非平衡磁控溅射离子镀磁场闭合状态的设计理念，可通过调整磁场闭合状态来轻易实现各类性能镀层的制备，为工业生产过程中各种薄膜的制备途径提供了一个很好的方法。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是不同闭合状态靶电压和基体偏流的变化示意图；
图3是磁场不闭合、半闭合和全闭合状态磁场分布模拟图；
图4是磁场不闭合、半闭合和全闭合状态下Cr镀层厚度；
图5是磁场不闭合、半闭合和全闭合状态下Cr渡层Cr膜表面形貌示意图。
附图中的标记为：1-磁控管 ，2-靶材， 3-夹具，4-闭合磁场。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
本发明的实施例1：如图1所示，一种非平衡磁控溅射离子镀磁场闭合状态控制方法，在靶材2内侧设有夹具3，夹具3与靶材2之间形成闭合磁场4，靶材2上的离子受磁场轰击，离子在磁场约束的环境中，向夹具3悬挂镀件方向沉积。
所述闭合磁场4采用靶材2上磁控管1形成磁场。
所述磁控管1具有内磁极和外磁极，所述外磁极的极性与所述内磁极极性相反。
所述磁控管1采用2个NSN型磁控管和2个SNS型磁控管对靶放置。
所述磁控管1均采用非平衡磁控管，且所述任意相邻磁控管之间外磁极极性相反，使磁场在所述外磁极之间延伸。
所述相邻磁控管1之间反向磁极形成磁场产生等离子体保持场。
本发明的工作原理：磁控溅射离子镀就是基片带有负偏压的磁控溅射镀膜工艺。它是在溅射靶位上的靶材1被轰击离子受磁场约束的等离子体环境中，通过离子脉冲偏压电源上负偏压的加速作用，使沉积离子直接干预薄膜沉积过程的一种表面处理技术。离子脉冲偏压电源作用主要为等离子体提供能量，使其加速向自转装卡台上的基片运动，利用粒子的轰击作用提高沉积效率和膜基结合力。
Claims (6)
1.一种非平衡磁控溅射离子镀磁场闭合状态控制方法，其特征在于：在靶材（2）内侧设有夹具（3），夹具（3）与靶材（2）之间形成闭合磁场（4），靶材（2）上的离子受磁场轰击，离子在磁场约束的环境中，向夹具（3）悬挂镀件方向沉积。
2.根据权利要求1所述的一种非平衡磁控溅射离子镀磁场闭合状态控制方法，其特征在于：所述闭合磁场（4）采用靶材（2）上磁控管（1）形成磁场。
3.根据权利要求2所述的一种非平衡磁控溅射离子镀磁场闭合状态控制方法，其特征在于：所述磁控管（1）具有内磁极和外磁极，所述外磁极的极性与所述内磁极极性相反。
4.根据权利要求3所述的一种非平衡磁控溅射离子镀磁场闭合状态控制方法，其特征在于：所述磁控管（1）采用2个NSN型磁控管和2个SNS型磁控管对靶放置。
5.根据权利要求2所述的一种非平衡磁控溅射离子镀磁场闭合状态控制方法，其特征在于：所述磁控管（1）均采用非平衡磁控管，且所述任意相邻磁控管之间外磁极极性相反，使磁场在所述外磁极之间延伸。
6.根据权利要求5所述的一种非平衡磁控溅射离子镀磁场闭合状态控制方法，其特征在于：所述相邻磁控管（1）之间反向磁极形成磁场产生等离子体保持场。
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Publications (1)
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Country Status (1)
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| CN (1) | CN103834922A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105200381A (zh) * | 2015-10-27 | 2015-12-30 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 阳极场辅磁控溅射镀膜装置 |
| CN113774351A (zh) * | 2021-11-09 | 2021-12-10 | 武汉中维创发工业研究院有限公司 | 磁控溅射镀膜腔室、镀膜机以及镀膜方法 |
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2012
- 2012-11-20 CN CN201210474290.4A patent/CN103834922A/zh active Pending
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