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磁控溅射的新发展分析

2021-01-09

  辉光等离子体溅射的基本过程是在辉光等离子体中的高能离子作用下,将负电极的靶原子从靶中溅射出来,然后凝聚在衬底上形成薄膜;在这个过程中,靶表面同时发射出二次电子,起到电子作用维持等离子体稳定存在的关键作用。溅射技术的出现和应用经历了多个阶段。起初,它是简单的二极和三极放电溅射沉积。经过30多年的发展,磁控溅射技术已经发展成为制备超硬、耐磨、低摩擦系数、耐腐蚀、装饰、光学、电学等功能薄膜不能替代的方法。

  在传统的溅射中,等离子体被限制在靶区,其典型值约为靶表面6cm。外磁场强度高于中心磁场强度,磁力线在中心和外围之间不形成闭合环。部分外部磁力线延伸到衬底表面,使得一些次级电子可以沿着磁力线到达衬底表面,而等离子体不局限于靶区,而是可以到达衬底表面,这使得衬底离子束密度增加,通常大于5mA/cm2。这样,溅射源也是轰击基板的离子源。基底的离子束密度与靶的电流密度成正比。随着靶电流密度、沉积速率和基片离子束密度的增加,薄膜的特性保持不变。

  非平衡磁控溅射技术的进一步发展是非平衡闭场溅射,它的特点是采用多个非平衡溅射源以一些的方式安装,克服了单一靶在复杂衬底上均匀沉积薄膜的较大困难。在多目标系统中,两个相邻目标之间的关系可以是平行的,也可以是相对的。相邻目标中也有两种磁场模式,相邻磁极相对时,称为闭合磁场模式;相邻磁极相同时,称为镜像磁场模式。闭合磁场模式下,不同靶之间的磁力线闭合,壁面损失的电子少,衬底表面等离子体密度高,衬底表面的离子原子比是镜像磁场模式或单靶非平衡磁场模式的2-3倍左右现场模式。当基底与靶材料的距离增加时,闭合磁场对基底表面离子原子比的影响比较大。在镜像模式下,磁力线被引入到壁面,二次电子沿着磁力线运动并被壁面消耗,导致衬底表面等离子体密度减小。

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