非平衡磁控溅射系统离子束流磁镜效应模型

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1、第.&卷第5期%$$.年5月物理学报/;9(.&，G;(5，F-*3S，%$$."$$$75%0$2%$$.2.（&$5）2"54’7$4)EO),PQRDE)RDGDE)#%$$.ES8<(,STU(R;3("""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""非平衡磁控溅射系统离子束流磁镜效应模型!!牟宗信李国卿秦福文黄开玉车德良（大连理工大学三束材料改性国家重点实验室，大连""#$%&）（%$$&年#月%’日收到；%$$&年’月&日收到修改稿）为了研究非平衡磁控溅射沉积系统的等离子体特性，采用常规磁控溅射

2、靶和同轴约束磁场构成非平衡磁控溅射沉积系统(在放电空间不同的轴向位置，)*放电，$+%,-和".$/偏压条件下，采用圆形平面离子收集电极，测量不同约束磁场条件下的饱和离子束流密度(研究结果表明，在同轴磁场作用下，收集电极的离子束流密度能达到饱和值01)231%左右，有利于在沉积薄膜的过程中产生离子轰击效应(根据磁流体理论分析了同轴约束磁场形成的磁镜效应和对放电过程的影响机理(实验与模型计算结果的比较表明，模型从理论上表达了同轴磁场约束对非平衡磁控溅射等离子体特性的影响规律(关键词：等离子体，金属薄膜2非磁性，磁控溅射，磁镜!"##：45#$，.%%.，.%4$，.%4.究非平衡磁控

3、溅射系统的放电特性(采用离子收集"+引言电极，研究饱和离子束流密度与放电电流密度、同轴［4］磁场约束条件、空间位置之间的关系；采用磁流体非平衡磁控溅射沉积技术在功能薄膜沉积方面理论方法，考虑系统中的磁镜效应，在实验的基础得到广泛应用，其沉积区域等离子体密度高于一般上，建立反映等离子体特性的理论模型(分析结果表［"—’］的磁控溅射系统，有利于提高薄膜质量(对常规明，模型的计算结果与实验参数符合很好(本文结论磁控溅射系统放电特性的研究虽然已经进行了许多对非平衡磁控溅射沉积系统的设计具有参考价值，［0—"5］年，取得了许多研究成果，但仍有一些基础问题对于研究薄膜结构、性能和沉积参数之间定

4、量控制［"#—"0］还不是很清楚，例如交叉场中电荷的霍尔运动对放的关系也能提供参考(电过程形成的影响等(主要是由于放电空间存在复杂的电场、磁场，放电过程中等离子体状态非常复杂%+实验装置等因素(另外，数值模拟较大放电空间的等离子体状态由于计算量较大，所以非常困难(目前，由于工业圆形平面磁控溅射靶的直径为!0.11，内部磁应用和功能薄膜沉积机理研究等方面发展的需求，体采用G@HCI永磁材料(通过测量溅射刻蚀痕迹，%关于非平衡磁控溅射系统放电特性的研究已经成为确定有效放电区域为5$31左右(同轴约束线圈内［"&，".］热点(研究能够为实验提供参考的理论模型，具径和高度为!"4$11J#

5、$11(采用特斯拉磁强计测有重要意义(目前关于非平衡磁控溅射沉积系统应量阴极表面的磁感应强度(图"（-）为从阴极溅射刻［"—4］用的研究报道较多，但仍需要深入研究(文献蚀中心出发，平行于阴极表面的磁感应强度分布(图［"&］采用,DE2FE方法模拟磁控溅射系统的放电特（"K）为在阴极中心对称轴上和阴极表面垂直的磁感性，但是不能反应非平衡磁控溅射系统的特性(文献应强度分布(实验中电源采用有过流保护的线性直［".］采用泊松方程研究非平衡磁控溅射系统的放电流电源，电压调整范围为$—"$$$/，溅射靶电流调参数，考虑了系统中磁场空间结构对于沉积参数的节范围为$—.)，循环水冷却磁控溅射靶(采

6、用LMH影响，但没有考虑空间的磁镜效应对于电荷分布和"型真空计监控真空度，系统极限真空度为.JN5迁移造成的影响(本文从实验和理论模型两方面研"$,-(由气体质量流量计调节气体的流量(本文实!国家自然科学基金（批准号：.$&$4$".）资助的课题(!671-89：1:;<=>8

7、平面离子收集电极的材质为纯铝，直径等参数，等待放电系统稳定后测量数值/为#+**，除和阴极相对的收集表面外都采取屏蔽措图0不同电磁场激励电流条件下轴向磁场测量值（.）为从磁控溅射靶刻蚀痕中心出发，平行阴极表面的磁感应强度分布；（3）为在阴极轴心线上，垂直阴极表面的磁感应强度分布1+**的轴向位置形成一个磁感应强度的峰值/由4"模型分析于磁镜效应，当电荷运动到!+位置的两侧，会受到!力"56!!的作用，其中电子磁矩为!5"##在磁控溅射系统中，平行于阴极表面的磁场能#7