傳統(tǒng)的磁控濺射設(shè)備由于等離子體在靶面形成跑道效應(yīng), 所以存在著靶材利用率低, 反應(yīng)濺射過(guò)程中穩(wěn)定性差的問(wèn)題。M.J. Thwaites 提出了一種利用磁場(chǎng)將等離子體產(chǎn)生與濺射分開(kāi)的結(jié)構(gòu), 本文基于這種結(jié)構(gòu)構(gòu)造了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行了研究, 實(shí)現(xiàn)了全靶腐蝕, 提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　磁控濺射技術(shù)有著很廣泛的用途, 在這些應(yīng)用中, 由于傳統(tǒng)的磁控濺射技術(shù)存在著一些固有的不足, 最顯著的問(wèn)題是等離子體在靶面形成跑道, 所以存在著靶材利用率低, 反應(yīng)過(guò)程尤其是在進(jìn)行反應(yīng)濺射過(guò)程中很不穩(wěn)定。要從根本上解決上述的問(wèn)題則必須使等離子體能夠在靶面形成靶面全腐蝕。通常有兩種方法達(dá)到靶面全腐蝕的目的： (a)將靶設(shè)計(jì)成閉合等離子體跑道的形狀, 如圓錐形等離子體磁控管;(b) 掃描產(chǎn)生閉合磁控管放電的磁鐵, 如全腐蝕矩形靶和圓柱形平面式磁控濺射靶。

　　此外, 還有一種與常規(guī)的磁控濺射有很大區(qū)別的思路, 就是將等離子體的產(chǎn)生與靶材的濺射過(guò)程分開(kāi)。1989 年Gregor Campbell 就提出了這種結(jié)構(gòu)。它的離子源部分采用的是螺旋波的天線結(jié)構(gòu), 盡管等離子體的離化率很高, 但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2000 年M.J. Thwaites 采用了一種更為簡(jiǎn)單的天線結(jié)構(gòu)來(lái)開(kāi)發(fā)設(shè)備, 該設(shè)備具有濺射中濺射電流出現(xiàn)飽和現(xiàn)象、濺射電流隨濺射功率的增加而增加和全靶腐蝕的特性, 在反應(yīng)磁控濺射中有很大的應(yīng)用。本文通過(guò)對(duì)M.J. Thwaites 方法的分析,由此構(gòu)造了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了初步試驗(yàn)研究。

1、實(shí)驗(yàn)原理

　　M.J. Thwaites 的高利用率等離子體濺射方法的原理圖如下圖所示, 它由三部分組成: 等離子體的產(chǎn)生部分、等離子體到靶表面的輸運(yùn)過(guò)程、等離子體對(duì)靶的濺射過(guò)程。

圖1 等離子體濺射方法的原理圖

　　產(chǎn)生等離子的方法有多種, 例如電感耦合等離子體, 電容耦合等離子體, 微波等離子體和螺旋波等離子體等等。設(shè)備中采用了電感耦合等離子體方式。射頻線圈、射頻電源、石英管構(gòu)成產(chǎn)生離子源的裝置。石英管中通入Ar 氣后, 在射頻電源和射頻線圈的作用下產(chǎn)生等離子體。將靠近石英管的直流線圈定義為發(fā)射線圈, 靠近靶的部分定義為偏轉(zhuǎn)線圈。由于發(fā)射線圈的存在, 使之與單一的電感耦合等離子體有一些不同, 它提高了等離子體的電離率, 在試驗(yàn)中可以看到等離子體在加發(fā)射線圈電流后明顯發(fā)亮。

　　石英管中產(chǎn)生的等離子體在直流偏壓的作用下到達(dá)靶表面進(jìn)行濺射。而發(fā)射電磁線圈和偏轉(zhuǎn)電磁線圈產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)將約束等離子體使其在空間形成從石英管到濺射靶的連續(xù)的等離子體。流過(guò)線圈的電流決定了線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的大小, 磁場(chǎng)的方向。所以由發(fā)射電磁線圈和偏轉(zhuǎn)電磁線圈在真空室內(nèi)形成的空間磁場(chǎng)的強(qiáng)度和分度就顯得很重要。由于兩個(gè)方向相反的磁場(chǎng)在空間中會(huì)相互抵消, 所以兩個(gè)電磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向必須一致。

2、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　試驗(yàn)平臺(tái)中, 產(chǎn)生等離子體的具體部分由石英管, 與石英管同心的射頻線圈, 射頻電源和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)組成。射頻電源采用頻率為13.56 MHz,功率為500W。石英管一端連入真空室, 一端通氣體, 射頻線圈以圓的銅管繞成, 運(yùn)行時(shí)銅管通冷水, 限制其發(fā)熱和穩(wěn)定表面電阻。濺射靶接直流偏壓電源的負(fù)極進(jìn)行濺射。

　　本文中利用ANSYS 對(duì)發(fā)射電磁線圈和偏轉(zhuǎn)電磁線圈在真空室內(nèi)形成的磁場(chǎng)分布和磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了模擬。圖2 和圖3 分別為是兩個(gè)直流線圈磁場(chǎng)方向一致時(shí)在真空室產(chǎn)生的磁場(chǎng)的分布和沿路徑地磁場(chǎng)強(qiáng)度分布。圖中沒(méi)有箭頭的那條線極為定義的路徑, 用于觀察磁場(chǎng)強(qiáng)度在空間的分布。由圖2的磁場(chǎng)分布可以看出當(dāng)兩個(gè)直流線圈方向一致時(shí)能夠產(chǎn)生約束等離子體連續(xù)的磁場(chǎng)。沿路徑所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度最高為529 Gauss, 最低為209 Gauss�？梢�(jiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到了發(fā)射線圈為50 Gauss, 偏轉(zhuǎn)線圈為500 Gauss 的要求。圖4 和圖5 分別為是兩個(gè)直流線圈磁場(chǎng)方向不一致時(shí)在真空室產(chǎn)生的磁場(chǎng)的分布和沿路徑地磁場(chǎng)強(qiáng)度分布�？梢钥吹酱艌�(chǎng)分布是不連續(xù)的, 沿路徑的磁場(chǎng)強(qiáng)度最高為482 Gauss,最低為91 Gauss, 盡管磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足要求, 但是由于磁場(chǎng)分布的不連續(xù), 所以不會(huì)約束形成連續(xù)的等離子體。

圖2 兩個(gè)直流線圈磁場(chǎng)方向一致時(shí)真空室內(nèi)的磁場(chǎng)分布仿真　圖3 兩個(gè)直流線圈磁場(chǎng)方向一致時(shí)真空室內(nèi)磁場(chǎng)沿路徑的強(qiáng)度分布　圖4 兩個(gè)直流線圈磁場(chǎng)方向不一致時(shí)真空室內(nèi)的磁場(chǎng)分布仿真　圖5 兩個(gè)直流線圈磁場(chǎng)方向不一致時(shí)真空室內(nèi)磁場(chǎng)沿路徑的強(qiáng)度分布

　　在上述裝置的基礎(chǔ)上再加上真空系統(tǒng)就構(gòu)成了試驗(yàn)平臺(tái)。采用不銹鋼為靶材我們針對(duì)M.J. Thwaites 提出的設(shè)備的特性進(jìn)行了有關(guān)濺射電壓和濺射電流關(guān)系的幾組實(shí)驗(yàn)。