磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程.入射粒子在靶中经历复杂的散射过程,和靶原子碰撞,把部分动量传给靶原子,此靶原子又和其他靶原子碰撞,形成级联过程.在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量,离开靶被溅射出来.磁控溅射的阴极工作电压随着靶材表面磁场的增加而降低,也随着靶表面溅射蚀刻槽的加深而降低.溅射电流随着靶材表面溅射蚀刻槽的加深而增加,因为靶的溅射蚀刻表面越来越靠近靶后面的永磁体的强磁场.因此,靶材的厚度是有限的.更厚的非磁性靶材可用于更强的磁场.当磁场强度增加到0.1T以上时,磁场强度对溅射电压的影响不明显.

靶面磁场、靶材材质、气体压强、阴- 阳极间距等影响磁控靶材溅射电压.本文详细分析这些因素对靶溅射电压的影响.

靶面磁场

铁磁靶材会影响磁控溅射.由于大部分磁力线穿过铁磁材料内部,靶材表面的磁场减弱,需要高电压才能点燃目标表面.除非磁场很强,否则磁性靶材必须比非磁性材料薄(磁控靶材的最大值不应超过3mm,铁溅射靶材和钴溅射靶材的最大值不应超过3mm) 不应超过 2 毫米)才能正常照明和操作.正常工作时,磁控靶材表面磁场强度约为0.025T-0.05T;靶材经溅射蚀刻后,靶材表面磁场强度大大提高,接近或大于0.1T.

靶材材质

①在真空条件不变的条件下,不同材质与种类靶材对磁控靶的正常溅射电压会产生一定的影响.

②常用的靶材(如铜 Cu、铝Al、钛 Ti)的正常溅射电压一般在 400~600V 的范围内.

③ 有的难溅射的靶材(如锰Mn、铬Cr等)的溅射电压比较高,一般需>700V 以上才能完成正常磁控溅射过程;而有的靶材(如氧化铟锡 ITO)的溅射电压比较低,可以在 200多伏电压时实现正常的磁控溅射沉积镀膜.

④ 实际镀模过程中,由干工作气体压力变化.或阴极与阳极间距偏小(使直空腔体内阻抗特性发生变化),或真空腔体与磁控靶的机械尺寸不匹配,同时选用了输出特性较软的靶电源等原因,导致磁控靶的溅射电压(即靶电源输出电压)远低于正常溅射示值,则可能会出现靶前存虽然呈现出很亮的光圈,就是不能见到靶材离子相应颜色的泛光,以至不能最后溅射成膜的状况.

气体压力

在磁控溅射或反应磁控溅射过程中,工作气体或反应气体压力会对磁控溅射电压产生一定的影响.

①工作气体压力

一般的规律是;在真空设备环境条件确定和靶电源的控制面板设置参数不变时,随着工作气体(如氩气)压强(0.1~10Pa)的逐步增加,气体放电等离子体的密度也会同步增加,致使等离子体等效阻抗减小,磁控靶的溅射电流会逐步上升,溅射工作电压亦会同步下降.

②反应气体压力

在反应磁控溅射镀膜过程中,当真空设备的环境条件确定,靶电源控制面板的设置参数不变时,磁控靶的溅射电流会逐渐减小(直至"阴极中毒"和"阳极消失")随着反应气体(如氮气和氧气)的压力逐渐增加.同时,溅射工作电压会逐渐升高.

阴阳间距

当阴阳极间距过大时,等效气体放电的内阻主要由等离子体等效内阻决定.反之,当阴阳间距过小时,等离子体放电的内阻就会变小.当磁控靶点火进入正常溅射时,如果阴阳极间距太小,可能会出现溅射电流虽然达到工艺设定值,靶材溅射电压仍然偏低的情况.