CN1948548A - 一种磁镜场约束双靶非平衡磁控溅射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁镜场约束的对靶非平衡磁控溅射系统，主要用于表面工程技术领域。其特征在于：有两个通电的同轴线圈和两个永磁式磁控靶相对放置，通电线圈能够形成和两个永磁式磁控靶同轴的完全封闭的磁镜场；通过调整两对相对放置的同轴线圈的电流来控制溅射靶的外围的封闭磁镜场，精细调整放电等离子体状态、沉积参数；同时电磁线圈增强阴极放电，增加阴极区域等离子体引出，提高沉积区域等离子体密度。本发明的优点：采用同轴的磁镜场约束等离子体，附加同轴线圈后，增大了沉积参数的调整范围，这种非平衡磁控溅射技术和常规磁控溅射技术相比具有等离子状态可调，等离子体离化率高，离子原子到达比高等优点。

Description

一种磁镜场约束双靶非平衡磁控溅射方法

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，特别涉及到一种磁镜场约束双靶非平衡磁控溅射方法，采用一对相对的附加了同轴线圈的非平衡磁控溅射靶，可在更大的范围内提高沉积区域的等离子体的密度和调整沉积参数。

背景技术

磁控溅射沉积技术用于表面工程领域内的材料改性和薄膜沉积，普通的磁控溅射装置中采用阴极表面的封闭磁场产生等离子体，其中离子在阴极电压的作用下轰击阴极材料形成溅射效应，所形成的沉积材料离子和原子扩散到被镀工件的表面沉积成薄膜形态，薄膜沉积的过程中等离子体密度影响沉积到被镀工件表面的薄膜性能，因此设计者不断采用各种技术措施来提高等离子体密度和轰击到被镀工件表面的离子电流密度。《溅射沉积技术的发展和现状》(《真空科学与技术学报》Vol.25，No.3，2005)和《磁控溅射技术进展及应用》(《现代仪器》No.5，2005)介绍了目前各种磁控溅射沉积技术的发展和应用情况，普通的磁控溅射装置中等离子体被阴极表面的磁场约束，沉积区域的等离子体的密度很低，难以获得理想的等离子体状态，沉积粒子的能量在几个电子伏特左右，在磁控溅射靶前30-50毫米处，等离子体的密度更进一步急剧降低。所沉积的薄膜由于缺乏离子轰击，残留大量的缺陷和应力，影响了薄膜的性能，由于磁控溅射装置的磁场结构是开放的空间结构，所以参数可以调节的范围很小。当前磁控溅射沉积技术存在着前面所述的技术缺点，为了解决这些技术缺陷，研究者开发了有闭和磁场的非平衡磁控溅射系统，这种非平衡磁控溅射系统虽然磁场的磁力线，但是基本采用永磁铁作为磁场源，永磁铁形成阴极表面的增强放电的磁路，同时也作为约束等离子体的磁路，但是这种结构的问题在于，永磁铁的两种作用不能够同时发挥到最好的匹配效果，参数不能够调整，而且封闭性不好，普通闭合场非平衡溅射系统中非平衡磁场不是完全封闭的，沉积参数调整范围较小，实际上对等离子体的约束程度不理想，其中一个重要的问题是，在目前文献中公布的闭合场非平衡溅射系统，总会有磁场的漏洞，破坏闭合磁场的封闭性，这种闭合磁场的漏洞出现在磁力线无法闭合的非平衡溅射靶的端头。普通闭合场非平衡溅射系统中非平衡磁场的这种缺陷能够在相关的结果参考文献中得到反映，采用本发明中提供的方案彻底克服了这种缺陷，在沉积区域上形成的等离子体密度比普通的非平衡磁控溅射系统高一个数量级以上。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种与现有磁控溅射系统相比可更好的，能够通过改变磁镜场磁感强度的空间分布、有效的约束和形成高密度的等离子体、且放电过程更稳定，可在更宽的范围内调节沉积参数，从而获得具有良好性能薄膜的沉积技术。

本发明的技术解决方案是采用在两个相对放置的永磁式磁控溅射靶周围同轴放置的两个亥姆霍兹线圈构成磁镜场，应用的过程中，永磁式磁控溅射靶内部的永磁铁在磁控溅射靶表面形成封闭的磁场，形成磁控溅射放电，形成等离子体，两个磁控溅射靶的放电功率能够分别调节，两个磁控溅射靶的材料可以不同，这样能够实现沉积多层薄膜、梯度薄膜、合金薄膜等功能。

两个同轴线圈的作用如下：

1.对单独的磁控溅射靶和相应的同轴线圈情况，同轴线圈能够提高溅射效率，增强阴极表面的等离子体电离率，提高阴极表面的等离子体引出。

2.当两个线圈同时作用时，两个同轴线圈的电流能够在一定范围内调节，形成磁镜场约束放电等离子体，同时同轴线圈也加强了阴极区域的电离效应，同时能够在更大的范围内调节沉积参数。

同轴线圈的参数设计倾向于形成广泛、均匀的空间分布，使薄膜的沉积过程中厚度分布更加均匀。同轴的磁镜场约束等离子体，沉积区域的等离子体密度的到显著的提高，显著提高了等离子体的离化率；同轴线圈对于稳定放电过程也有很好的效果，在放电过程中采用双靶同时作用，使放电过程更加稳定。

本发明的效果和益处是：和现有的各种磁控溅射系统相比，磁镜场约束双靶非平衡磁控溅射方法，采用一对相对的附加了同轴线圈的非平衡磁控溅射靶，通过调整同轴线圈的电流，可在更大的范围内提高沉积区域的等离子体的密度和调整沉积参数，使等离子体的状态可调，等离子体离化率高，离子原子到达比高等优点，在提高薄膜质量方面有应用价值。

附图说明

图1是磁镜场约束双靶非平衡磁控溅射系统的结构示意图。本发明的系统结构由同轴线圈1；同轴线圈2；磁控溅射靶A；磁控溅射靶B；平面偏压电极组；真空室；等离子体组成。

图2是磁镜场约束双靶非平衡磁控溅射系统的阴极电压随线圈电流之间的变化关系。

图中：虚线对应磁控溅射靶A的各种恒定电流条件下，阴极电压随线圈电流的变化关系；实线对应磁控溅射靶B的各种恒定电流条件下，阴极电压随线圈电流的变化关系。

图3、图4是磁镜场约束双靶非平衡磁控溅射系统在恒定的阴极电流，分别对应3.6Pa和0.3Pa两种放电气压条件下，线圈电流在0-6A之间变化时，离子电流在不同位置上的分布情况，其中离子电流的测量使用直径40mm的平面偏压电极组5，电极除了收集离子电流的表面之外采用了屏蔽措施，电极上连接-150V的偏压。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

一种磁镜场约束双靶非平衡磁控溅射方法采用两个永磁的磁控溅射靶A和磁控溅射靶B相对放置，同时将两个同轴线圈1和同轴线圈2是两个亥母霍兹线圈，同轴放置于磁控溅射靶A和磁控溅射靶B的外围，两个相对放置的永磁式磁控溅射靶A和磁控溅射靶B周围同轴放置的两个亥姆霍兹同轴线圈1和同轴线圈2在通电流以后构成磁镜场，应用的过程中，永磁式磁控溅射靶A和磁控溅射靶B内部的永磁铁在磁控溅射靶表面形成封闭的磁场，形成磁控溅射放电，形成等离子体，磁控溅射靶A和磁控溅射靶B的放电功率能够分别调节，磁控溅射靶A和磁控溅射靶B的材料可以不同，这样能够实现沉积多层薄膜、梯度薄膜、合金薄膜等功能。

同轴线圈1和同轴线圈2通直流电以后，能够形成一个磁镜场，约束非平衡磁控溅射放电形成的等离子体，沉积区域的等离子体密度能够大幅提高，增强薄膜沉积过程的离子轰击，薄膜质量得以提高。从图中能够看出离子电流在同轴线圈1和同轴线圈2电流提高时能够显著增加。诊断磁控溅射靶A和磁控溅射靶B之间不同位置上的离子电流使用直径40mm的平面偏压电极组，电极除了收集离子电流的表面之外采用了屏蔽措施，电极上连接-150V的偏压，分别放置于磁控溅射靶A和磁控溅射靶B之间不同位置上，采集数据绘图。

Claims (1)

1、一种磁镜场约束双靶非平衡磁控溅射方法，其特征在于：在两个相对放置的永磁式磁控靶的外围设置两个通电的同轴线圈，形成和两个永磁式磁控靶同轴的完全封闭的磁镜场，通过调整相对放置的同轴线圈的电流来调整沉积区域放电等离子体状态和沉积参数。

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