負離子源濺射室真空室設計

魏寶坤　吳潔

摘要：負離子磁控濺射在真空鍍膜技術得到廣泛應用，本文主要是對負離子源濺射真空室進行了設計，優化了尺寸參數和布局設計，包括真空室的尺寸大小、壁厚等參數設計，提高了負離子源濺射室的質量。

關鍵字：負離子源;濺射室;真空室

引言

現在廣泛應用的鍍膜技術包括物理、化學氣相沉積技術，分子束外延技術（MBE）、化學溶液鍍膜，電鍍，LB膜技術。物理氣相沉積技術包括真空蒸發鍍膜、濺射鍍膜、脈沖激光鍍膜、離子鍍。而近些年在鍍膜行業風生水起的負離子磁控濺射技術屬于物理氣相沉積技術的磁控濺射鍍膜技術。濺射鍍膜技術與其他鍍膜相比也具有以下優點：鍍膜過程無相變，使用的材料廣泛。沉積離子能量大，對襯底有清洗作用，薄膜附著性好。薄膜密度高、重復性好。可以制備大面積的薄膜：但磁控濺射鍍膜也有不足，如設備復雜，需要高壓，沉積速率低。由此本文研究設計的負離子磁控濺射鍍膜技術剛好彌補了傳統的磁控濺射技術的不足，大大提高了薄膜的沉積速率，同時解決了傳統電鍍技術的功耗高、污染高的缺點[1]。本文自主研發了負離子磁控濺射機的部分關鍵零部件，意在實現高效的鍍膜效率，和對設備的優化進而提高鍍膜質量。發展和研究負離子磁控鍍膜技術，是為了促進我國高新技術的應用，加強傳統和現代學科知識的有機結合，同時改善技術擴大材料的應用領域和技術水平，進而直接影響材料行業的發展基礎和發展速度。

1、負離子源濺射基本原理

將真空室抽到預定真空狀態后，通過進氣系統充入Ar氣，工作壓強控制在0.1Pa以上同時在樣品處施加正極電壓，在靶材處引入負極電壓，高電壓差使得Ar氣發生輝光放電，即反應①。輝光放電將Ar原子電解為Ar+離子和e-，Ar+在電場力的作用下向負極的靶材移動，即反應②，此間獲得能量轟擊靶材，進而在靶材處發生反應③。

靶材選用的是表面通過磁控濺射的方法陣列的一個原子層厚度的材料，可以鍍鋇基合金或氧化物、金屬銫等低功函數材料[2]。在反應③中，Ar+離子轟擊靶材表面，靶材原子被濺射出來，同時因為靶材表面材料的功函數低于靶材原子的電子親和力，因而靶材原子被濺射出來后在靶材上方的金屬導電層中獲得一個電子變為帶負電的離子，并在電場的驅使下向帶正電的樣品處移動，進而鍍在樣品表面。在反應③的Ar+離子轟擊中同時會產生二次電子，其同時受電場和磁場的作用，其運動軌跡近似于擺線形式在靶表面做圓周運動，它們的運動路徑長且位置被束縛，并且在該區域中電離出大量的Ar+來轟擊靶材，從而實現了高的沉積速率。碰撞次數增加，二次電子能量耗盡，逐漸遠離靶表面，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、真空室的設計

按照設計要求，真空室上方為工件架系統，需實現工件的自轉和樣品轉交的垂直距離微調;下方為靶槍組，合并可以實現上下伸縮運動，因此將真空室尺寸設計為Φ450Χ340（內徑），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構，方門口尺寸：長290mmX高310mm，氟橡膠圈密封;真空室前門采用方門鉸鏈結構，主要用于更換靶材、清洗屏蔽內襯板、維護維修使用，以及方便設備單獨使用時的更換樣品。真空室壁厚通過如下計算可得：

真空室設計帶有不銹鋼防污屏蔽板，所有屏蔽板和內襯要互相遮擋，帶編號;屏蔽采用插入式結構，拆卸方便;主要對樣品轉架、門內襯，真空室內壁、抽氣接口格柵、底板襯板等進行防護。

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

3.結論

本文通過對負離子磁控濺射的真空室設計，合理的計算了其各種尺寸參數和規劃了各個結構的法蘭的布局。既滿足了設計要求，又實現了成本的控制，提高了負離子源濺射室的質量。

參考文獻：

[1]黃英，張以忱.圓柱旋轉雙面矩形磁控濺射靶磁場的設計計算[J].真空與低溫，2001，7（4）：233-237.

[2]姜燮昌.大面積反應濺射技術的最新進展及應用[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計[J].核聚變與等離子體物理，2013，33（4）：324-330.