磁控濺射后的鉑靶表面形貌分析

李思勰，聞 明，管偉明，沈 月，王傳軍

(昆明貴金屬研究所 云南貴金屬實(shí)驗(yàn)室有限公司，昆明 650106)

磁控濺射是一種常用的物理氣相沉積(PVD)鍍膜方法，具有高速、低溫、低損傷的特點(diǎn)。隨著對磁控濺射技術(shù)的研究不斷深入，人們逐漸發(fā)展了脈沖濺射及中頻濺射等技術(shù)[1-2]改進(jìn)傳統(tǒng)磁控濺射技術(shù)中存在的不足，如反應(yīng)磁控濺射過程中出現(xiàn)的陽極消失、陰極中毒及放電打弧等現(xiàn)象導(dǎo)致濺射過程難以控制等問題[3-4]。如今，磁控濺射技術(shù)已成為薄膜制備領(lǐng)域最重要的鍍膜方法之一[5-7]。磁控濺射技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用，如在現(xiàn)代機(jī)械加工領(lǐng)域，利用磁控濺射技術(shù)在工件表面鍍制功能膜、超硬膜等[8-9]；在光學(xué)領(lǐng)域，利用磁控濺射技術(shù)制備增透膜、低輻射膜、隔熱膜等[10-11]；在微電子領(lǐng)域[12]和磁記錄領(lǐng)域[13]磁控濺射技術(shù)也發(fā)揮著重要作用。磁控濺射技術(shù)中，提高靶材利用率一直是研究重點(diǎn)。磁控濺射系統(tǒng)的靶陰極具有特殊的磁場結(jié)構(gòu)，利用磁場對帶電粒子的約束，增加離子密度和能量來提高濺射效率，但外加磁場的同時(shí)由于磁力線分布的不均勻性就使得濺射區(qū)域集中于靶面的局部區(qū)域[14]，造成平面型靶材表面非均勻性消耗，這極大地限制了靶材利用率的提高。

對靶濺射后的表面形貌及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，明確濺射時(shí)靶材表面形貌的變化趨勢，對理解靶材濺射過程，提高靶材的利用率具有重要意義。本文通過觀察磁控濺射后的鉑靶表面不同部位的形貌及結(jié)構(gòu)變化，探討濺射后靶材表面形貌及結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為99.99%的鉑做為原料，制備成直徑50.8 mm，厚度2.5 mm的鉑濺射靶材。

1.2 實(shí)驗(yàn)及測試方法

利用磁控濺射沉積系統(tǒng)(沈陽科儀，TRP-450)進(jìn)行直流(DC)磁控濺射鍍膜。濺射參數(shù)為：濺射功率200 W，濺射氣壓4 Pa，放電氣體為高純(體積分?jǐn)?shù)≥99.999%)氬氣，總濺射時(shí)長為240 min。濺射后的鉑靶材濺射面形貌示意圖如圖1所示。為便于后續(xù)實(shí)驗(yàn)分析說明，從靶材中心向邊緣方向依次劃定區(qū)域，標(biāo)記編號(hào)。其中0#、1#為靶材中心區(qū)域，2#、3#、4#為靶材環(huán)形濺射區(qū)域，5#為靶材濺射邊緣區(qū)域。

圖1 鉑靶材濺射形貌示意圖Fig.1 Schematic diagram of the sputtering morphology of platinum target

采用場發(fā)射掃描電鏡(FEI，Versa3D)對鍍膜后的鉑靶材濺射面刻蝕形貌進(jìn)行觀察；采用共聚焦顯微鏡(Carl Zeiss，Smartproof 5)對鍍膜后靶材濺射面的金相組織進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 刻蝕形貌

濺射后的鉑靶表面有一環(huán)狀刻蝕槽，該刻蝕槽最深處終將發(fā)展為靶材擊穿部位。因此，這一環(huán)狀刻蝕槽直接決定了靶材的利用率。從圖1(b)濺射后靶材的濺射截面圖可以看出該刻蝕槽最深處是以靶材中心為圓心，直徑為38.1 mm的圓環(huán)。鉑靶材濺射后的不同部位表面的掃描電鏡圖像如圖2所示。

圖2 鉑靶濺射面不同區(qū)域掃描電鏡圖像Fig.2 SEM images of the sputtering surface of platinum target

從圖2可看出，在靶材中心部位(0#和1#)有分布較為均勻的松散的團(tuán)簇狀結(jié)構(gòu)。這是由濺射出的靶原子重新反向沉積在靶表面形成的，通常被稱為反濺。在靶材環(huán)狀濺射區(qū)域(2#~4#)，靶材表面受氬離子轟擊最為劇烈，因此表面呈現(xiàn)較為明顯的凹凸不平狀形貌，該形貌為典型濺射形貌，與靶材表面晶粒結(jié)構(gòu)對應(yīng)一致。當(dāng)過渡到靶材邊緣區(qū)域5#后，濺射面的形貌有逐漸平緩的趨勢。

圖3為磁控濺射原理圖，圖3(a)顯示了磁控濺射鍍膜過程原理。磁控濺射時(shí)，靶表面的原子一部分會(huì)被濺射沉積到陽極基片上。此外，還可能：一、被散射回陰極；二、被電子或亞穩(wěn)態(tài)原子碰撞電離，產(chǎn)生的靶離子在電場作用下加速返回陰極[15]。這些離子在陰極靶面上又被二次電子中和成為原子，最終造成靶原子重新反向沉積在陰極靶表面上，這是反濺的過程。磁控濺射過程中，濺射與反濺射兩個(gè)過程將持續(xù)進(jìn)行。磁控濺射源的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)置是靶材中心區(qū)、環(huán)狀濺射區(qū)及靶材邊緣處的濺射表面形貌具有顯著差異的根本原因。在靶材中心區(qū)，帶電粒子在磁場和電場作用下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，且由于電子密度較低，離子碰撞靶面濺射效率較其他部位更低，因此，該部位反濺過程占主導(dǎo)，反濺返回陰極靶表面的原子經(jīng)不斷堆積就形成了均勻且松散的團(tuán)簇狀結(jié)構(gòu)。在環(huán)狀濺射區(qū)內(nèi)，碰撞產(chǎn)生的二次電子向E(電場)×B(磁場)所指的方向漂移，被束縛于靶表面的特定等離子體區(qū)域內(nèi)并以螺旋形的形式做圓周運(yùn)動(dòng)(圖3(b))。這一環(huán)狀區(qū)域內(nèi)靶表面被荷能離子轟擊濺射效率較高，其表面形貌以典型的濺射形貌為主，且濺射出的凹凸不平形貌與靶材表面晶粒結(jié)構(gòu)對應(yīng)。該區(qū)域內(nèi)最終形成濺射刻蝕最深處的凹槽(直徑38.1mm圓形)，決定了濺射靶材的利用效率。在靶材邊緣處同樣會(huì)發(fā)生濺射與反濺過程，但因電子密度較低，濺射速率與反濺射沉積速率均較低，因此靶材表面形貌既沒有明顯的反濺聚集堆積形貌，濺射的凹凸不平狀形貌也較為平緩。由此可知，磁控濺射后靶材表面各部位受磁控濺射源結(jié)構(gòu)分布影響，濺射與反濺速率不完全一致，造成濺射后靶材表面形貌呈現(xiàn)出較大差異。在實(shí)際濺射過程中，為提高濺射靶材的利用率，可對磁控濺射源的磁場與電場結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，增大靶表面束縛二次電子的等離子體區(qū)域面積，增加氬離子與靶材表面的碰撞機(jī)率。

圖3 磁控濺射原理圖[14-15]Fig.3 Schematic diagram of the magnetron sputtering [14-15]

2.2 金相結(jié)構(gòu)

進(jìn)一步觀察了靶材在濺射后的金相組織，結(jié)果如圖4所示。將鉑靶濺射表面的晶粒尺寸與對應(yīng)區(qū)域靶材芯部的晶粒尺寸進(jìn)行了對比，結(jié)果列于表1。

表1 鉑靶材表面與對應(yīng)芯部區(qū)域的晶粒尺寸對比Tab.1 Comparison of the grain size between the surface and core of Pt target /μm

圖4 鉑靶濺射面不同區(qū)域金相組織(箭頭所指為濺射面)Fig.4 Metallographic structure of the sputtering surface of platinum target (Arrow indicates the sputtering surface)

從圖4可以看出，靶材中心區(qū)域(0#和1#)內(nèi)，晶粒較為均勻規(guī)整，接近濺射面處呈現(xiàn)輕微凸起狀態(tài)，與圖2中0#和1#濺射表面反濺堆積的團(tuán)簇狀結(jié)構(gòu)對應(yīng)。由表1可知，這一部位靶材的濺射表面的晶粒尺寸約是靶材芯部晶粒尺寸的3倍。圖4中2#、3#、4#表明，隨濺射速率逐漸增大，濺射面高低起伏趨勢逐漸增大，同時(shí)，濺射表面形貌與晶粒結(jié)構(gòu)對應(yīng)一致。該區(qū)域靶材濺射表面的晶粒粒徑尺寸同樣約是靶材芯部晶粒尺寸的三倍。從圖4中5#可知，隨著電子密度降低，靶表面濺射程度逐漸降低，靶材邊緣處濺射面高低起伏狀態(tài)逐漸趨于平緩，且晶粒再次恢復(fù)均勻規(guī)整狀態(tài)。

綜上所述，磁控濺射后，靶材中心、濺射區(qū)及靶材邊緣處的金相結(jié)構(gòu)差異較大。但有類似的變化規(guī)律，即接近靶材濺射表面的晶粒尺寸比靶材芯部的晶粒尺寸更大。這可能是因?yàn)槭転R射影響，入射離子所帶的部分能量傳遞到靶表面上致使其局部升溫[15]，在溫度場作用下靶表面晶粒再結(jié)晶生長[16]，致使靶材表面的晶粒尺寸大于靶材芯部晶粒。

3 結(jié)論

1) 受磁控濺射源結(jié)構(gòu)及分布影響，靶材表面的不同部位具有不同的濺射與反濺速率，影響了濺射后的靶材表面形貌及結(jié)構(gòu)：在靶材中心部位，反濺射過程占主導(dǎo)，在靶表面形成均勻松散的團(tuán)簇狀結(jié)構(gòu)；在靶表面濺射區(qū)域內(nèi)，濺射過程進(jìn)行較為劇烈，靶材表面呈現(xiàn)凹凸不平的典型濺射形貌；而靶材邊緣處靶材表面濺射形貌較為平緩。

2) 磁控濺射后，接近靶材濺射表面的晶粒尺寸要明顯大于靶材芯部晶粒尺寸。這是由于濺射過程中，入射離子的部分能量傳遞到靶表面的原子上造成靶表面局部升溫，使靶材濺射面晶粒再結(jié)晶生長。