負(fù)離子源濺射室真空室設(shè)計(jì)

魏寶坤　吳潔

摘要：負(fù)離子磁控濺射在真空鍍膜技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，本文主要是對(duì)負(fù)離子源濺射真空室進(jìn)行了設(shè)計(jì)，優(yōu)化了尺寸參數(shù)和布局設(shè)計(jì)，包括真空室的尺寸大小、壁厚等參數(shù)設(shè)計(jì)，提高了負(fù)離子源濺射室的質(zhì)量。

關(guān)鍵字：負(fù)離子源;濺射室;真空室

引言

現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的鍍膜技術(shù)包括物理、化學(xué)氣相沉積技術(shù)，分子束外延技術(shù)（MBE）、化學(xué)溶液鍍膜，電鍍，LB膜技術(shù)。物理氣相沉積技術(shù)包括真空蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜、脈沖激光鍍膜、離子鍍。而近些年在鍍膜行業(yè)風(fēng)生水起的負(fù)離子磁控濺射技術(shù)屬于物理氣相沉積技術(shù)的磁控濺射鍍膜技術(shù)。濺射鍍膜技術(shù)與其他鍍膜相比也具有以下優(yōu)點(diǎn)：鍍膜過(guò)程無(wú)相變，使用的材料廣泛。沉積離子能量大，對(duì)襯底有清洗作用，薄膜附著性好。薄膜密度高、重復(fù)性好。可以制備大面積的薄膜：但磁控濺射鍍膜也有不足，如設(shè)備復(fù)雜，需要高壓，沉積速率低。由此本文研究設(shè)計(jì)的負(fù)離子磁控濺射鍍膜技術(shù)剛好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的磁控濺射技術(shù)的不足，大大提高了薄膜的沉積速率，同時(shí)解決了傳統(tǒng)電鍍技術(shù)的功耗高、污染高的缺點(diǎn)[1]。本文自主研發(fā)了負(fù)離子磁控濺射機(jī)的部分關(guān)鍵零部件，意在實(shí)現(xiàn)高效的鍍膜效率，和對(duì)設(shè)備的優(yōu)化進(jìn)而提高鍍膜質(zhì)量。發(fā)展和研究負(fù)離子磁控鍍膜技術(shù)，是為了促進(jìn)我國(guó)高新技術(shù)的應(yīng)用，加強(qiáng)傳統(tǒng)和現(xiàn)代學(xué)科知識(shí)的有機(jī)結(jié)合，同時(shí)改善技術(shù)擴(kuò)大材料的應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)水平，進(jìn)而直接影響材料行業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)和發(fā)展速度。

1、負(fù)離子源濺射基本原理

將真空室抽到預(yù)定真空狀態(tài)后，通過(guò)進(jìn)氣系統(tǒng)充入Ar氣，工作壓強(qiáng)控制在0.1Pa以上同時(shí)在樣品處施加正極電壓，在靶材處引入負(fù)極電壓，高電壓差使得Ar氣發(fā)生輝光放電，即反應(yīng)①。輝光放電將Ar原子電解為Ar+離子和e-，Ar+在電場(chǎng)力的作用下向負(fù)極的靶材移動(dòng)，即反應(yīng)②，此間獲得能量轟擊靶材，進(jìn)而在靶材處發(fā)生反應(yīng)③。

靶材選用的是表面通過(guò)磁控濺射的方法陣列的一個(gè)原子層厚度的材料，可以鍍鋇基合金或氧化物、金屬銫等低功函數(shù)材料[2]。在反應(yīng)③中，Ar+離子轟擊靶材表面，靶材原子被濺射出來(lái)，同時(shí)因?yàn)榘胁谋砻娌牧系墓瘮?shù)低于靶材原子的電子親和力，因而靶材原子被濺射出來(lái)后在靶材上方的金屬導(dǎo)電層中獲得一個(gè)電子變?yōu)閹ж?fù)電的離子，并在電場(chǎng)的驅(qū)使下向帶正電的樣品處移動(dòng)，進(jìn)而鍍?cè)跇悠繁砻妗Ｔ诜磻?yīng)③的Ar+離子轟擊中同時(shí)會(huì)產(chǎn)生二次電子，其同時(shí)受電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用，其運(yùn)動(dòng)軌跡近似于擺線形式在靶表面做圓周運(yùn)動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)路徑長(zhǎng)且位置被束縛，并且在該區(qū)域中電離出大量的Ar+來(lái)轟擊靶材，從而實(shí)現(xiàn)了高的沉積速率。碰撞次數(shù)增加，二次電子能量耗盡，逐漸遠(yuǎn)離靶表面，最終沉積在基片上。由于該電子的能量很低，傳遞給基片的能量很小，致使基片溫升較低[3]。

2、真空室的設(shè)計(jì)

按照設(shè)計(jì)要求，真空室上方為工件架系統(tǒng)，需實(shí)現(xiàn)工件的自轉(zhuǎn)和樣品轉(zhuǎn)交的垂直距離微調(diào);下方為靶槍組，合并可以實(shí)現(xiàn)上下伸縮運(yùn)動(dòng)，因此將真空室尺寸設(shè)計(jì)為Φ450Χ340（內(nèi)徑），材料選用不銹鋼（304）耐腐蝕性高，漏氣率小;前門采用方門鉸鏈結(jié)構(gòu)，方門口尺寸：長(zhǎng)290mmX高310mm，氟橡膠圈密封;真空室前門采用方門鉸鏈結(jié)構(gòu)，主要用于更換靶材、清洗屏蔽內(nèi)襯板、維護(hù)維修使用，以及方便設(shè)備單獨(dú)使用時(shí)的更換樣品。真空室壁厚通過(guò)如下計(jì)算可得：

真空室設(shè)計(jì)帶有不銹鋼防污屏蔽板，所有屏蔽板和內(nèi)襯要互相遮擋，帶編號(hào);屏蔽采用插入式結(jié)構(gòu)，拆卸方便;主要對(duì)樣品轉(zhuǎn)架、門內(nèi)襯，真空室內(nèi)壁、抽氣接口格柵、底板襯板等進(jìn)行防護(hù)。

真空室所有密封法蘭接口均采用氟橡膠圈和無(wú)氧銅金屬密封;所有焊縫采用氬弧焊接，真空內(nèi)外表面噴砂鈍化電解拋光處理，高真空檢漏儀對(duì)真空系統(tǒng)進(jìn)行檢漏。

3.結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)負(fù)離子磁控濺射的真空室設(shè)計(jì)，合理的計(jì)算了其各種尺寸參數(shù)和規(guī)劃了各個(gè)結(jié)構(gòu)的法蘭的布局。既滿足了設(shè)計(jì)要求，又實(shí)現(xiàn)了成本的控制，提高了負(fù)離子源濺射室的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃英，張以忱.圓柱旋轉(zhuǎn)雙面矩形磁控濺射靶磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)計(jì)算[J].真空與低溫，2001，7（4）：233-237.

[2]姜燮昌.大面積反應(yīng)濺射技術(shù)的最新進(jìn)展及應(yīng)用[J].真空，2002（3）：1-9.

[3]李佳鮮，陳謙，張錦華等.HL-2M裝置基本位形初步設(shè)計(jì)[J].核聚變與等離子體物理，2013，33（4）：324-330.