镀膜机圆弧靶永磁场改电磁场可行性分析.docx

镀膜机圆弧靶永磁场改电磁场可行性分析摘要：在讨论传统镀膜机圆弧靶永磁场基本结构和工作原理的基础上，简介了由关奎之、李云奇提出的“电磁场调节性靶结构”以及“用于圆形平面磁控溅射靶的等效电流磁场计算法”。由“电磁场调节性靶结构”可以分析讨论出镀膜机圆弧靶永磁场改电磁场的优越性；由“用于圆形平面磁控溅射靶的等效电流磁场计算法”可以分析讨论出镀膜机圆弧靶永磁场改电磁场的可行性。结合“电磁场调节性靶结构”以及“用于圆形平面磁控溅射靶的等效电流磁场计算法”探讨了结构改进的基本思路。关键词：圆弧靶、电磁场、可行性、结构改进0-前言真空镀膜技术起源于20 世纪30 年代，直到80 年代才形成工业化大规模生产，广泛应用于电子、装饰装潢、通讯、照明等工业领域。真空镀膜是在真空环境下，金属或金属氧化物变成气态原子或分子，沉积在金属或非金属表面而形成。和传统的电镀法相比，真空镀膜具有低能耗、无毒、无废液、污染小、成本低、装饰效果好、金属感强等优点，是一项很有发展前途的新技术。根据镀膜要求的不同，所采用的磁控溅射靶的结构也不同，大致可分为以下几类：圆形平面靶、矩形平面靶、S-枪靶、圆柱形靶、特殊结构靶等。本文所研究的圆形平面靶主要用于大专院校、科研院所的薄膜研究和实验。磁控溅射是利用磁场的洛仑兹力束缚阴极靶表面的电子的运动，从而提高了电子和气体的碰撞几率，导致轰击靶材的高能粒子的增多和轰击基片的高能电子的减少，从而凸显磁控溅射优于以往其他镀膜方法的“低温、高速”的特点。理想的磁场应该是在整个靶面范围内均匀分布，尽量增强靶面范围内各处磁场的水平分量，提高其均匀性。但在实际的经典结构中，不均匀分布的磁场产生密度不均匀分布的等离子体，因而靶面上不同位置的溅射速率不同，剥蚀速度不同，同时膜层沉积的均匀性也不好。显然增加磁场均匀性能够增加靶面剥蚀的均匀性，从而延长靶的寿命，提高靶材的利用率。同时合理的电磁场分布还能够有效地提高溅射过程的稳定性。为了能预见性的处理和配置放电空间的磁场，对于圆形平面磁控溅射靶，人们作了大量理论结合实验的工作。1-磁控溅射工作原理磁控溅射是七十年代发展起来的一种新型溅射技术，目前已经在科研和生产中实际应用。磁控溅射与一般溅射相比，具有高速、低温、低损伤等优点。其关键在于阴极靶面上具有环状磁场，能够对靶面发出的二次电子进行有效的控制。环状磁场区域一般称为跑道。磁力线是由跑道的外环指向内环，横贯跑道(图1)。靶面发出的二次电子，在电场力和磁场力的联合作用下，即沿着跑道跨越磁力线跳动。电子就这样跳动式的沿着跑道转圈，寻求与气体原子碰撞的机会。电子与气体原子发生多次碰撞以后，当其能量消耗殆尽时，才被阳极和基片收集。电子在跑道上的运动原理如下图2所示；电子在电场 E 作用下，在飞向基板过程中与氩原子发生碰撞，使其电离出Ar+和一个新的电子，电子飞向基片，Ar+在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子则淀积在基片上形成薄膜。二次电子e一旦离开靶面，就同时受到电场和磁场的作用。为了便于说明电子的运动情况，可以近似认为：二次电子在阴极暗区时，只受电场作用；一旦进入负辉区就只受磁场作用。于是，从靶面发出的二次电子，首先在阴极暗区受到电场加速，飞向负辉区。进入负辉区的电子具有一定速度，并且是垂直于磁力线运动的。在这种情况下，电子由于受到磁场B 洛仑兹力的作用，而绕磁力线旋转。电子旋转半圈之后，重新进入阴极暗区，受到电场减速。当电子接近靶面时，速度即可降到零。以后，电子又在电场的作用下，再次飞离靶面，开始一个新的运动周期。电子就这样周而复始，跳跃式地朝着E(电场)×B(磁场)所指的方向漂移(见下图)。简称E×B 漂移。如图4所示为永磁铁圆弧靶的结构与刻蚀示意图。靶材是阴极(-300V~-700V)，与靶相对放置的基片架是阳极(与真空室同电位，0V)。在基片架与靶之间为均匀分布的直流电场E，由于环形磁铁和磁柱在靶材表面及其附近形成一个环状磁场B，并且在环状磁场B的中间部分，磁场B与电场E相垂直而组成正交电磁场。因此，在该电磁场中电子作轮摆线式的圆周运动，使电子与真空室内氩原子的碰撞几率增加。在电场E的作用下，若电子能量高于氩原子电离电位时即发生电离碰撞，产生正离子Ar+和电子。Ar+在电场E作用下高速轰击阴极靶材，溅射出靶材粒子和二次电子，靶材粒子沉积到基片上成膜，而电子在正交电磁场中均参加电离碰撞。因此，在该电磁场中形成异常辉光放电的等离子区。在碰撞过程中，电子能量逐渐减小，最终被阳极吸收。该原理如图3所示。根据磁控溅射的基本原理，在阴极(靶)表面附近，在相互垂直的电磁场作用空间中，电子在E×B的方向做漂移运动。这种漂移运动形成无终端的闭合轨迹，由此来维持放电。因此，在圆平面靶的表面发生如图所示的凹