圆柱形平面式磁控溅射靶的特点与设计原理

磁控溅射膜常见故障的排除

膜层灰暗及发黑

(1)真空度低于0.67Pa。应将真空度提高到0.13-0.4Pa。
(2)氩气纯度低于99．9％。应换用纯度为99．99％的氩气。
(3)充气系统漏气。应检查充气系统，排除漏气现象。
(4)底漆未充分固化。应适当延长底漆的固化时间。
(5)镀件放气量太大。应进行干燥和封孔处理

膜层表面光泽暗淡
(1)底漆固化不良或变质。应适当延长底漆的固化时间或更换底漆。
(2)溅射时间太长。应适当缩短。
(3)溅射成膜速度太快。应适当降低溅射电流或电压

膜层色泽不均

(1)底漆喷涂得不均匀。应改进底漆的施涂方法。
(2)膜层太薄。应适当提高溅射速度或延长溅射时间。
(3)夹具设计不合理。应改进夹具设计。
(4)镀件的几何形状太复杂。应适当提高镀件的旋转速度

膜层发皱、龟裂

(1)底漆喷涂得太厚。应控制在7—lOtan厚度范围内。
(2)涂料的粘度太高。应适当降低。
(3)蒸发速度太快。应适当减慢。
(4)膜层太厚。应适当缩短溅射时间。
(5)镀件温度太高。应适当缩短对镀件的加温时间

膜层表面有水迹、指纹及灰粒

(1)镀件清洗后未充分干燥。应加强镀前处理。
(2)镀件表面溅上水珠或唾液。应加强文明生产，操作者应带口罩。
(3)涂底漆后手接触过镀件，表面留下指纹。应严禁用手接触镀件表面。
(4)涂料中有颗粒物。应过滤涂料或更换涂料。
(5)静电除尘失效或喷涂和固化环境中有颗粒灰尘。应更换除尘器，并保持工作环境的清洁

膜层附着力不良

(1)镀件除油脱脂不彻底。应加强镀前处理。
(2)真空室内不清洁。应清洗真空室。值得注意的是，在装靶和拆靶的过程中，严禁用手
或不干净的物体与磁控源接触，以保证磁控源具有较高的清洁度，这是提高膜层结合力的重要措施之一。
(3)夹具不清洁。应清洗夹具。
(4)底涂料选用不当。应更换涂料。
(5)溅射工艺条件控制不当。应改进溅射工艺条件

圆柱形平面式磁控溅射靶的特点与设计原理


1　磁控溅射技术

　　磁控溅射技术是70年代发展起来的一种新型溅射技术，目前已在科研和生产中实际应用．磁控溅射镀膜主要用于电子工业、磁性材料及记录介质、光学及光导通讯等，具有高速、低温、低损伤等优点．高速是指沉积速率快；低温和低损伤是指基片的温升低，损伤小．

2　磁控溅射镀膜原理与磁控溅射靶

2.1　磁控溅射镀膜原理
　　磁控溅射镀膜原理是将磁控溅射靶放在真空室内，在阳极(真空室)和阴极靶(被沉积的材料)之间加上足够的直流电压，形成一定强度的静电场E．然后再在真空室内充入氩气，在静电场E的作用下，氩气电离并产生高能的氩离子A+r和二次电子e1．高能的A+r在电场E的作用下加速飞向溅射靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材表面发生溅射．在溅射粒子中，中性的靶原子(或分子)沉积在基片上形成薄膜．　　


　　由于磁场B的作用，一方面在阴极靶的周围，形成一个高密度的辉光等离子区，在该区域电离出大量的A+r来轰击靶的表面，溅射出大量的金属粒子向工件表面沉积；另一方面，二次电子e1在加速飞向靶表面的同时，受到磁场B的洛伦兹力作用，以摆线和螺旋线的复合形式在靶表面作圆周运动．随着碰撞次数的增加，电子e1的能量逐渐降低，传给基片的能量很小，故基片的温升较低．当溅射量达到一定程度后，靶表面的材料也就被消耗掉，形成拓宽的腐蚀环形凹状区．

2.2　磁控溅射靶在镀膜过程中的重要作用
　　磁控溅射靶是真空磁控溅射镀膜的核心部件，它的重要作用主要表现在以下两个方面(1)对于大面积表面的镀膜，磁控溅射靶影响着膜层的均匀性与重复性；(2)当膜层材料为贵重金属时，靶的结构决定着靶材(形成薄膜的材料)，即该贵重金属的利用率．

3　常用的磁控溅射靶及其优缺点

3.1　矩形平面靶
　　矩形平面靶，磁场方向与靶面阴极平行，形成环形磁场，该磁场与电场E正交．当真空室内充入氩气后，便被电离放电，放电产生的A+r离子轰击阴极(靶)的表面．二次电子e1受磁场B的洛仑兹力作用，沿垂直于磁力线方向运动．这些电子运动路径长，增加了气体分子磁撞的机会，使气体的电离几率增加，进而增大了溅射速率．　　


矩形平面靶的特点是结构简单，通用性强，膜层均匀性与重复性好．但缺点是靶材的利用率低，一般约为20%［2］左右．当辉光区，即磁力线分布区域的靶材消耗到一定程度时，将形成条形凹坑，靶材体变薄，凹坑深度达到一定程度时，靶材就不能继续使用．
3.2　同轴圆柱形磁控溅射靶
　　同轴圆柱形磁控溅射靶，磁力线平行于靶表面，并与电场E正交．磁力线与靶表面封闭的空间就是约束电子运动的等离子区域．该区域为一环形空间，由图可以看出，同轴圆柱形磁控溅射靶有多个环形空间．
　　同轴圆柱形磁控测射靶的优点是结构紧凑，靶材利用率较平面矩形靶高．但缺点是在溅射时，整个靶表面上为多个辉光环，不能形成连续的条形辉光，故在镀制大面积的膜层时，膜层表面的均匀性差，很难满足要求．

4　圆柱形、平面式磁控溅射靶的设计思路

4.1　原理
　　把矩形平面磁控靶的结构原理应用到圆柱形磁控溅射靶中，设计的磁控溅射靶称为圆柱形、平面式磁控溅射靶．它兼有平面矩形靶和同轴圆柱靶两者的优点．即镀膜的均匀性好，和靶材利用率较高．
　　将两个矩形平面靶绕X轴(见图2)卷曲成半圆形，并将其合扰，如图5所示，即初步完成了平面矩形靶向圆柱形、平面式磁控溅射靶的演变．X轴变成了轴心线，磁力线在圆柱体的表面上形成了4条封闭的空间，即约束二次电子e1运动的等离子区域．
4.2　要解决的技术问题
　　在把矩形平面靶演变成圆柱形、平面式靶的过程中，矩形平面靶中沿X轴方向布置的磁铁变成了圆柱形、平面式靶中沿轴线方向分布的磁铁．而平面矩形靶中垂直于X轴的端头磁铁A端从理论上讲，应变成圆环形磁铁A环，而且其充磁方向应该是圆环内表面和外表面，即内外表面应分别为S极和N极．然而，这种充磁方法几乎是办不到的．因此，设计圆柱形、平面式磁控溅射靶，解决两端的磁场问题是成功的关键．



　　采用同轴圆柱形磁控溅射靶中磁铁与极靴的原理，即用轴向充磁的环形磁铁(两端面分别为S极和N极)，在端面加一导磁材料制做的环形“极靴”，根据磁力线沿表面分布这一特点可知：这时磁力线是沿“极靴”的外圆表面发射的，即“极靴”代替了磁铁的一个磁极．而“极靴”的外圆表面发射的磁力线，正好与所希望的理想环形磁铁的磁力线方向相同．由此可知，用同轴圆柱形磁控溅射靶中磁铁与极靴的原理，可解决圆柱形、平面式磁控溅射靶端部磁场与中间段磁场的连接问题．



5　圆柱形、平面式磁控溅射靶与矩形靶工作状况对比

　　平面矩形靶在靶面上形成一条封闭的环形辉光带，随着靶材的消耗，在靶材表面上形成与辉光区对应的环状腐蚀凹坑．
　　圆柱形、平面式磁控溅射靶在靶面上形成两组(四条)对称的封闭的环形辉光带，随着靶材的消耗，将在靶材表面上形成与辉光区对应的环状腐蚀凹坑．

6　圆柱形、平面式磁控溅射靶的优势

　　与其它形式的磁控溅射靶相比，圆柱形、平面式磁控溅射靶在保留了矩形平面靶镀膜均匀性好的优点的同时，可通过以下两条途径最大限度地提高靶材的利用率，(1)当靶材表面的2组(四条)环状凹坑达到一定深度时，可将靶芯(磁体部分)相对靶管旋转45°，这样就可以对靶管上另外没有腐蚀过的区域进行利用；(2)当圆柱形、平面式磁控溅射靶的靶芯设计成转靶芯时，(溅射时靶芯在旋转)，可将靶材表面一层一层均匀地溅射掉，而不会产生凹坑，此时，靶材将得到最有效的利用，靶材的利用率可达50%～60%．当靶材为贵重金属材料时，这无疑是具有重大意义的［2］．

7　结论

　　通过采用同轴圆柱形磁控溅射靶中磁铁与靴的原理来解决端部磁场问题，可以将矩形平面靶演变成圆柱形、平面式磁控溅射靶．该靶在保留矩形平面靶镀膜均匀性好的情况下，可最大限度地提高靶材的利用率．从而提高经济效益．