專利名稱：可調(diào)式對(duì)向磁控濺射源及其鍍膜方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料的金屬涂層領(lǐng)域，為一種濺射鍍膜裝置及其鍍膜方法。
磁控濺射是一種在基體上鍍膜的技術(shù)。其原理是把基體與靶材安裝于真空室內(nèi)，在處于低壓狀態(tài)(10-2～10-4乇)氣體的輝光放電中形成正、負(fù)離子或離子及電子。正離子轟擊作為陰極的靶材，使原子被濺射出來(lái)，在基體上形成薄膜，按濺射靶的結(jié)構(gòu)來(lái)分類，目前磁控濺射有四種模式1.平面靶磁控濺射;
2.圓柱靶磁控濺射;
3.S-槍磁控濺射;
4.對(duì)向靶磁控濺射。
上述1、2、3種模式已廣泛應(yīng)用，但也存在著靶材利用率低，濺射速率隨靶材的消耗而改變，不易濺射鐵磁材料等缺點(diǎn)。第4種模式如日本專利昭62-188776及昭61-279674則克服了以上缺點(diǎn)，作了改進(jìn)。但在這種模式中，由于上、下兩靶共同用一電位，并使用固定的永磁體，使磁場(chǎng)固定，因而靶材一旦選定，所屬薄膜的成分便無(wú)法改變，一對(duì)靶只能獲得一種成分的薄膜，而制備不同靶時(shí)有時(shí)是很不方便的。另一方面，由于磁場(chǎng)無(wú)法改變，電子不能在聚集狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)，因而在給定真空度與靶電壓條件下，所得一般不是最佳的濺射速率。
本發(fā)明在第4種模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了很大的改進(jìn)，其要點(diǎn)是
在裝置上1.用電磁代替永磁，使磁場(chǎng)連續(xù)可調(diào)，2.二靶分別加不同的可調(diào)電壓(外殼為零電位);3.二靶中間加一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償靶以排除二靶由于互濺射造成的污染及電參數(shù)的互干擾。
在方法1.用磁聚集取得最佳濺射速率;2.用非對(duì)稱放電以取得上、下靶材相差懸殊的濺射速率，從而大范圍連續(xù)改變薄膜成分比例。
通過(guò)以上改進(jìn)，可在磁控濺射中通過(guò)改變電參數(shù)方便地連續(xù)改變(或調(diào)節(jié))所得薄膜的成分，以達(dá)到預(yù)期的物理，化學(xué)、機(jī)械等方面的性能指標(biāo)。
發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明敘述如下參見(jiàn)附

圖1，用某種材料(包括鐵磁性材料)制成的平面靶材(陰極)(5)，用純鐵制成的極靴(3)與電磁線圈(1)或(2)陽(yáng)極屏蔽罩(4)等構(gòu)成對(duì)向磁控源的一個(gè)靶。兩個(gè)相同材料或不同材料制成的靶相對(duì)平行放置組成了對(duì)向磁控濺射源，其中一個(gè)靶的位置可沿靶軸線調(diào)節(jié)，以改變兩靶間的距離。
附圖1中(7)是冷卻水管，(8)是靶材支持裝置，(6)是基片(即被鍍物體)。兩個(gè)靶及其電流線圈分別接上各自獨(dú)立的電源(但作對(duì)稱放電時(shí)，兩個(gè)靶可用一個(gè)靶電源，兩個(gè)線圈共用一個(gè)磁場(chǎng)電源)。
這種對(duì)向磁控源的工作原理是在10-2～10-4托的真空容器中，由于氣體輝光放電產(chǎn)生電子。磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁力線垂直于靶面，被電場(chǎng)加速后的電子，在電磁場(chǎng)作用下以磁力線為軸作螺旋運(yùn)動(dòng);這就延長(zhǎng)了電子運(yùn)動(dòng)路程和壽命，增加了電子與氣體分子的碰撞機(jī)會(huì)，因而增加了放電電流，在兩靶之間形成高密度等離子體。等離子體中的正離子則被電場(chǎng)加速轟擊靶面產(chǎn)生濺射效應(yīng)，濺射出來(lái)的靶原子沉積在基片上產(chǎn)生薄膜。
本發(fā)明中的磁場(chǎng)起電子聚焦作用。磁場(chǎng)強(qiáng)度適當(dāng)時(shí)，可使盡可能多的電子飛向靶面受到反射。附圖二是在兩靶帶相同電壓即對(duì)稱放電時(shí)，靶電壓(V)取一定值，兩靶放電電流之和(I)隨激磁電流(IB)變化的曲線(氬氣壓為8×10-4托)。利用磁聚焦原理，改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，便可在較低靶電壓(300伏左右)或較高真空(5×10-4托)下發(fā)生放電，并可調(diào)節(jié)放電電流，也可獲得最大放電電流。
本發(fā)明的兩個(gè)靶線圈(1)、(2)加激磁電流，在靶間形成連續(xù)可調(diào)的磁場(chǎng)與靶面垂直，或用其它方式，如在整個(gè)真空罩外加激磁線圈的辦法，在兩靶間形成垂直于靶面的可調(diào)電磁場(chǎng)。
附圖3和附圖4為對(duì)稱放電及非對(duì)稱放電時(shí)等離子區(qū)形狀變化對(duì)比。當(dāng)兩靶帶相同電壓即對(duì)稱放電時(shí)，等離子區(qū)(15)形狀如附圖3，此時(shí)恰當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)激磁電流，電子在靶面聚焦可得到最佳的濺射速率。當(dāng)兩靶帶不同電壓即非對(duì)稱放電時(shí)，等離子區(qū)(15)形狀呈錐形，如附圖4，此時(shí)配合調(diào)整兩靶線圈(1)及(2)中的激磁電流，使兩靶放電電流相差懸殊，可引起不同成份的上、下靶材相差懸殊的濺射，便可得到成分比例相差懸殊的薄膜。
在本發(fā)明的濺射裝置中，如附圖5，在兩靶間插入補(bǔ)償靶，補(bǔ)償靶接上另一電源，便可在相當(dāng)寬的(近于0-100%)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)薄膜的成分比例。
以濺射銅，鎳合金作為實(shí)施例。參看附圖5，上靶(陰極)(5)材料為銅，下靶(陰極)(5)材料為鎳，補(bǔ)償靶(9)對(duì)應(yīng)上、下靶的兩面(11)及(12)亦分別為銅和鎳。附圖6為補(bǔ)償靶的結(jié)構(gòu)圖，圖中(11)與上靶材料相同，(12)與下靶材料相同，(13)為冷卻水管，兼作支持架。補(bǔ)償靶(9)接電源(10)，如附圖5。選擇一適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償靶電壓，并調(diào)節(jié)上靶及下靶電壓，可使上、下靶的放電電流不同，兩種合金的濺射速率也不同，于是獲得某一成分的合金薄膜。本實(shí)施例得到了含銅7%(Wt%)～97%(Wt%)的銅鎳合金薄膜。
補(bǔ)償靶可避免一種靶材被濺射到另一種靶材上造成的污染，又由于電場(chǎng)的屏蔽作用也可使上下兩部分的放電獨(dú)立調(diào)節(jié)，互不干擾。
若增加補(bǔ)償靶的數(shù)目，還可調(diào)節(jié)兩種以上成分。
本發(fā)明的濺射裝置對(duì)靶材的形狀和厚度均無(wú)特殊要求。
由于磁力線與靶面垂直，靶材已成為極靴的一部分，因而可以濺射鐵磁性材料，且靶材的消耗均勻，利用率近100%。
材料的各種性能，主要依賴于它的成分、組織與結(jié)構(gòu)。在薄膜制備中，精確地控制材料的成分，方便地、大范圍地改變成分是制備薄膜的重要手段。本發(fā)明將在磁性材料，特別是超導(dǎo)薄膜特定合金成分薄膜的制備中發(fā)揮重要作用。
本發(fā)明的濺射裝置中，由于被鍍物體(基片)(6)是放在上、下靶四周的，參看附圖1及附圖5，適應(yīng)增加上、下靶距，相應(yīng)增大磁場(chǎng)，可使四周安放多個(gè)被鍍物體，提高效率，可形成批量生產(chǎn)，在工業(yè)中應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.在真空容器中一對(duì)靶對(duì)向放置的磁控濺射裝置，每個(gè)靶由平面靶材(陰極)(5)、極靴(3)、電磁線圈(1)或(2)以及陽(yáng)極屏蔽罩(4)等部份組成，其特征在于各個(gè)靶分別加連續(xù)可調(diào)的電壓，兩靶間形成垂直于靶材平面的磁場(chǎng)。
2.按照權(quán)利要求1所說(shuō)的濺射裝置，其特征在于兩靶間可插入補(bǔ)償靶(9)。
3.按照權(quán)利要求1和2所說(shuō)的濺射裝置，其特征在于兩靶間垂直于靶材平面的磁場(chǎng)，可用各靶線圈(1)、(2)通電流激磁而成，或用其它方式，如在整個(gè)真空罩外加激磁線圈的方法形成。
4.按照權(quán)利要求1和2所說(shuō)的濺射裝置，其特征在于對(duì)稱放電時(shí)，恰當(dāng)調(diào)節(jié)激磁電流，電子在靶面聚焦可獲得最佳濺射速率的鍍膜方法。
5.按照權(quán)利要求3所說(shuō)的濺射裝置，其特征在于對(duì)稱放電時(shí)，恰當(dāng)調(diào)節(jié)激磁電流，電子在靶面聚焦可獲得最佳濺射速率的鍍膜方法。
6.按照權(quán)利要求1和2所說(shuō)的濺射裝置，其特征在于應(yīng)用非對(duì)稱放電時(shí)，調(diào)節(jié)線圈的激磁電流，使薄膜中不同成分的比例在近于0-100%的范圍內(nèi)變化的鍍膜方法。
7.按照權(quán)利要求3和5所說(shuō)的濺射裝置，其特征在于應(yīng)用非對(duì)稱放電時(shí)，調(diào)節(jié)線圈的激磁電流，使薄膜中不同成分的比例在近于0-100%的范圍內(nèi)變化的鍍膜方法。
全文摘要
可調(diào)式對(duì)向磁控濺射源及其鍍膜方法是涉及材料的金屬涂層領(lǐng)域。
文檔編號(hào)C23C14/35GK1039070SQ88103800
公開(kāi)日1990年1月24日 申請(qǐng)日期1988年6月28日 優(yōu)先權(quán)日1988年6月28日
發(fā)明者張?jiān)茲h, 唐希源, 劉利民 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室, 北京聯(lián)合大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院