應(yīng)用閉合磁場非平衡磁控濺射離子鍍系統(tǒng)，研究了濺射靶電流、偏壓和Ar 流量對偏流密度的影響。結(jié)果表明，偏流密度隨著偏壓和靶電流的升高而增大，但隨偏壓的提高偏流密度的增加趨勢趨于平緩；偏流密度隨著Ar 流量的增大而出現(xiàn)峰值。

　　磁控濺射離子鍍（MSIP）是一種把磁控濺射和離子鍍結(jié)合起來的技術(shù)，它在同一裝置內(nèi)既實現(xiàn)了氬離子對磁控靶（鍍料）的穩(wěn)定濺射，又實現(xiàn)了高能靶材（鍍料）離子在基片負偏壓作用下到達基片進行轟擊、濺射、注入及沉積的過程。

　　離化率是指被電離的原子占全部濺射原子的百分比，是磁控濺射離子鍍過程中的一個重要指標(biāo)。特別是在活性反應(yīng)離子鍍時，離化率直接反映等離子體的活化程度。濺射原子和反應(yīng)氣體的離化程度對鍍層的各種性質(zhì)，如附著力、硬度、耐熱耐蝕性、結(jié)晶結(jié)構(gòu)等，都產(chǎn)生直接的影響。

　　如何提高等離子體的密度或電離度，以降低氣體放電的阻抗，從而在相同的放電功率下獲得更大的電流，也就是獲得更多的離子轟擊靶材和基體，關(guān)鍵在于如何充分的利用電子的能量，使其最大限度地用于電離。不同離子鍍方法因電離和激發(fā)方式不同，其離化率也差別較大。閉合場非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)是在普通磁控濺射技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型磁控濺射鍍膜技術(shù)，它是對普通磁控濺射技術(shù)進行設(shè)備改良和工藝完善的產(chǎn)物。一塊磁控靶的N 極對應(yīng)另一塊靶的S 極，即閉合式結(jié)構(gòu)，閉合式結(jié)構(gòu)將靶系統(tǒng)邊緣上的磁力線閉合在兩塊靶之間，構(gòu)成逃逸電子的“閉合阱”，等離子體區(qū)域被有效限制在真空室中間區(qū)域，即基體所在區(qū)域，這樣一方面，濺射出來的原子和粒子沉積在基片表面形成薄膜，另一方面，等離子體以一定的能量轟擊基片，起到離子束輔助沉積的作用，極大地改善了薄膜質(zhì)量。因此，不僅具有普通磁控濺射（MS）過程穩(wěn)定、控制方便和大面積膜厚均勻性的特點，而且克服了基片附近離子密度小的缺點，容易獲得附著力好、致密度高的薄膜，也避免了過高的內(nèi)應(yīng)力。

　　偏流密度是離子鍍中的重要參數(shù)之一，偏壓一定時可反映整個離子鍍過程的離化特征，研究偏流密度的變化規(guī)律和影響因素有助于優(yōu)化薄膜的質(zhì)量。本文在閉合磁場非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)條件下，系統(tǒng)研究了不同偏壓條件下靶電流和氬氣流量對偏離密度的影響規(guī)律，為應(yīng)用閉合磁場非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)制備高質(zhì)量薄膜提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1、試驗材料和方法

　　采用的閉合磁場非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備是由浙江匯錦梯爾鍍層科技有限公司生產(chǎn)的UDP- 650/4 設(shè)備，濺射氣體為氬氣，靶材為純度99.9%的10 mm 厚矩形Cr 靶。濺射背底真空2×10^{- 5} Torr( 真空單位分不清？那就在線轉(zhuǎn)換吧：真空單位在線換算)， 濺射氣壓5×10^{- 3} Torr， 氬氣流量在10~60 sccm 間每隔5 sccm 變化，濺射靶電流分別設(shè)定為3 A、4 A 和5 A，偏壓從- 30 V 到- 90 V 每隔10 V 變化。在上述試驗條件下記錄偏流值，測定工件架（陰極）表面積后計算出偏流密度。

2、試驗結(jié)果與分析

2.1、閉合場非平衡磁控濺射離子鍍高離化率特點分析

　　圖1 為試驗用閉合場非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖，四個靶兩兩相對放置，每個靶的背面各安置兩個磁性相反的磁極，構(gòu)成一個封閉磁場，防止電子的逃逸；每個靶的磁極的磁場強度不同，使磁場構(gòu)成一個非平衡磁場，擴大了等離子區(qū)；在支架上加一定值的負偏壓，使濺射的靶材離子能夠有效的轟擊基體；另外，在靶材和爐體之間加一定量的電壓，爐體接地。

圖1 閉合場非平衡磁控濺射離子鍍結(jié)構(gòu)示意圖

3、結(jié)論

　　通過對閉合場非平衡磁控濺射離子鍍系統(tǒng)各項數(shù)值的檢測，偏壓、靶電流和氬氣流量均對偏流密度產(chǎn)生影響，通過實驗結(jié)果和分析可得到如下結(jié)論：隨著負偏壓的增加，偏流密度呈現(xiàn)增加趨勢，但逐漸平緩；隨著氬氣流量的增加，偏流密度呈現(xiàn)先增加后緩慢減小的趨勢；隨著靶電流的增加，偏流密度呈現(xiàn)迅速增大趨勢；并且，與偏壓和氬氣流量相比，靶電流對偏流密度的影響較大。

　　因此，利用閉合場非平衡磁控濺射離子鍍進行鍍膜時，要想獲得較大的偏流密度，可以提高偏壓，但偏壓太高，又會使離子的動能增加，把沉積在基體上的薄膜濺射掉；也可以選擇較小的氬氣流量，但此時，會使靶材的濺射率降低；當(dāng)然可以提高靶電流，但會受到輸入功率的限制。所以，在實際工作中，應(yīng)該全面考慮每個參數(shù)，以獲取所需性能的薄膜。