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        磁控溅射铁磁性靶材的主要方法

        来源真空技术网www.ismp.tw真空技术网整理作者真空技术网

        由于磁控溅射铁磁性靶材的难点是靶材表面的磁场达不到正常磁控溅射时要求的磁场强度因此解决的思路是增加铁磁性靶材表面剩磁的强度以达到正常溅射工作对靶材表面磁场大小的要求实现的途径主要有以下几种

        a靶材设计与改进

        b增强磁控溅射阴极的磁场

        c降低靶材的导磁率

        d设计新的磁控溅射系统

        e设计新的溅射阴极装置

        f靶材与溅射阴极装置的综合设计

        (1) 靶材的设计改进

        将铁磁性靶材的厚度减薄是解决磁控溅射铁磁材料靶材的最常见方法如果铁磁性靶材足够薄则其不能完全屏蔽磁场一部分磁通将靶材饱和其余的磁通将从靶材表面通过达到磁控溅射的要求这种方法的最大缺点是靶材的使用寿命过短同时靶材的利用率很低而且薄片靶材的另一个缺点是溅射工作时靶材的热变形?#29616;أ?#24448;往造成溅射很不均匀

        一种对铁磁性靶材进行的改进设计是在靶材表面刻槽槽的位置在溅射环两侧 (见图1) 这种设计的靶材适用于具有一般导磁率的铁磁性靶材例如镍但对具有高导磁率的靶材料效果较差虽然靶材的这种改进增加了靶材的成本但这种措施无需对溅射阴极进行改动能在一定程度?#19979;?#36275;溅射铁磁性材料的需求

        磁控溅射铁磁性靶材的主要方法

        图1   经过刻槽改进的靶材

        图2给出了一种间隙型刻槽改进靶材该靶所用的阴极是平面磁控溅射型的靶磁场由置于靶的铜背板下方的水冷却的永磁体产生在两个磁极之间的?#34892;?#20301;置处和不带靶材的阴极表面上其磁场强度为0.145 T靶材可以为铁镍等导磁材料将靶材粘在铜背板上以后用专用刀具在靶材上沿其宽度方向切出所要求的间隙其原理是在靶材表面上切出许多截断磁路的间隙使得在靶材?#24418;?#36798;到磁饱和的条件下通过控制间隙宽度和间隙的间隔即可在磁性材料靶表面上产生均匀的较大的漏泄磁场从而使靶材表面上能够形成正交磁场而达到磁性材料的高速磁控溅射成膜的目的这种磁系统可以允许磁性靶材的厚度超过20 mm

        磁控溅射铁磁性靶材的主要方法

        图2   间隙型靶和阴极示意图

        (2) 增强磁控溅射阴极的磁场

        增强溅射阴极磁场的另一种方法是采用高强磁体通过强磁场饱和更厚的铁磁性靶材得到靶材表面需要的溅射磁场强度但是高强磁铁的价格昂贵同时采用这种方法增加靶材厚度的效果有限而且由于强永磁体大小不能改变这种方法会引起?#29616;?#30340;等离子体磁聚现象等离子体磁聚现象的产生使溅射区靶材很快消耗完而不能继续溅射从而造成靶材利用率很低

        采用电磁线圈来产生高强磁场通过调节电磁线圈的电流控制磁场大小来?#31181;?#31561;离子体磁聚但这种方法的磁场装置复杂而且成本高同时电磁线圈还受到溅射阴极尺寸的限制从而使电磁场的强度受到限制导致铁磁性靶材的厚度增加有限

        还可以采用永磁体与电磁体复合的方法解决等离子体磁聚的问题在不同的溅射过程中调节电磁线圈以产生大小合适的电磁场这种方法的缺点是电磁源装置复杂电磁线圈的使用也增加了设备成本和使用成本

        (3) 降低靶材的导磁率

        由于铁磁材料均存在?#27704;?#28857;如果把铁磁材料加热到其?#27704;?#28201;度之上铁磁材料转变为顺磁材料其磁屏蔽效应将消失从而磁控溅射铁磁材料将得到解决这种方法的缺点是需要一个加热装置来维持铁磁靶材温度在其?#27704;?#28857;之上并要对铁磁靶的温度实时监测另外大多数铁磁材料的?#27704;?#28201;度非常高在400~1 100棬如果把靶材加热至该温区可能导致无法在基片上成膜或损坏其他真空部件另一个不利之处是大多数高性能永磁体一旦温度超过150~200将产生退磁现象而无法恢复原有磁性

        (4) 磁控溅射系统的改进设计

        a对靶磁控溅射系统

        采用对靶磁控溅射系?#24120;?#21487;以获得高沉积速率的磁性膜且不必大幅度升高基片温度对靶磁控溅射系统可以用来制备磁性FeNi及其磁性合金膜

        对靶磁控溅射系统其原理如图3所示两只靶相对安置所加磁场和靶表面垂直且磁场和电场平行阳极放置在与靶面垂直部位和磁场一起起到约束等离子体的作用二次电子飞出靶面后被垂直靶的阴极位降区的电场加速电子在向阳极运动过程中受磁场作用作洛仑兹运动但是由于两靶上加有较高的负偏压部分电子几乎沿直线运动到对面靶的阴极位降区被减速然后?#30452;?#21521;相反方向加速运动这样二次电子除被磁场约束外还受很强的静电反射作用二次电子被有效的约束封闭在两个靶极之间形成柱状等离子体避免了高能电子对基体的轰击使基体温升很小电子被两个电极来回反射大大加长了电子运动的路程增加了和氩气的碰撞电离几?#21097;?#20174;而大大提高了两靶间气体的电离化程度增加了溅射所需氩离子的密度因而提高了沉积速率

        磁控溅射铁磁性靶材的主要方法

        图3   对靶磁控溅射原理

        1-N极2-对靶阴极3-阴极暗区4-等离子体区5-基体偏压电源6-基体7-阳极 (真空室) 8-靶电源9-S极

        图4为对靶磁控溅射装置示意图由图可见由靶两侧的磁铁及辅助电磁线圈产生的通向磁场构成对靶磁控溅射阴极的磁路两块靶材对向平行放置靶材表面与磁力线垂?#34180;?#28293;射时两侧靶材同时施加负电压产生的放电等离子体被局限在两靶材之间两侧靶材被同时溅射基片被垂直放置于一对阴极靶的侧面由于靶材与磁场垂直靶材的厚度对靶材表面磁场的大小及分?#21152;?#21709;较小因此对靶磁控溅射技术对靶材的厚度无特殊要求可以超过10 mm除此之外对靶磁控溅射的靶材溅射沟道平坦靶材利用率高可大于70%

        磁控溅射铁磁性靶材的主要方法

        图4   对靶磁控溅射装置示意图

        1-辅助电磁线圈2-阳极3-对靶阴极4-靶两侧磁铁5-基片6-靶电源7-放电等离子体8-靶材

        对靶磁控溅射系统的缺点是

        1) 由于采用两个对向靶材同时溅射阴极结构复杂加工成本高安装难度大

        2) 与平面磁控溅射不同对靶磁控溅射系统因其磁路开放在周围出现漏磁现象对周围设备产生磁干扰

        3) 因采?#38376;?#36724;溅射模式在溅射过程中等离子体对基片的轰击较弱影响薄膜的附着力

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