[发明专利]涂层柱状晶-楔形结构的高可控制备方法及装置

权利要求书

1.一种涂层柱状晶-楔形结构的高可控制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤S1：磁场控制装置设计与磁场调控；在于调控磁场，进行强弱区域分布分析，使得靶材表面存在磁场强弱不一的三个区域，通过中间强磁区俘获大量电子，增强局部区域的靶材溅射率，实现纯楔形结构、柱状晶-楔形混合结构的制备，所述磁场均指平行于靶材表面方向的磁场强度：

步骤S2：靶材溅射产物引出与形态分布特征研究；在于调控靶材溅射粒子的形态分布，由磁场强弱分布决定，磁场越强，越易引出大粒径固态颗粒，弱磁区靶材溅射率低，只引出纯气相粒子，而强磁区增强靶材溅射率与固态块状颗粒的引出，因而从靶材中心至边缘、从近靶材至远靶材处，形成纯气相粒子区、气相+纳米级至亚微米级块状颗粒、气相+微米级块状颗粒、均匀气相+固态颗粒等多个区域：

步骤S3：衬底相对位置及其它工艺参数设置与涂层沉积；在于精准调控涂层微观结构分布，涂层微观结构由靶材溅射产物的形态分布决定，纯气相粒子区形成纯柱状晶结构的涂层，气相+微米级块状颗粒区域形成纯楔形结构的涂层，气相+纳米级至亚微米级块状颗粒、均匀气相+固态颗粒区域形成柱状晶-楔形混合结构的涂层。

2.根据权利要求1所述的涂层柱状晶-楔形结构的高可控制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，划分有三个磁区，分别为：

所述靶材中心直径3cm区域为弱磁区，磁场强度介于0-10mT，称作中心弱磁区；

所述靶材边缘宽1cm的环形区也为弱磁区，磁场介于0-10mT，称作边缘弱磁区；

两者中间宽5cm的环形区域为强磁区，磁场介于10-50mT，且越靠近强磁区中心，磁场越强，称作中间强磁区。

3.根据权利要求2所述的涂层柱状晶-楔形结构的高可控制备方法，其特征在于：所述步骤S2中：

近靶材处即轴向距离0-8cm，中心弱磁区只存在大量气相粒子；

近靶材处即轴向距离0-8cm，中间强磁区同时存在块状颗粒和气相粒子，强磁区中心的块状颗粒尺寸高于边缘的；

近靶材处即轴向距离0-8cm，边缘弱磁区仅存在少量气相粒子；

远靶材处即轴向距离8-20cm，由于粒子间的相互碰撞，气相粒子、块状颗粒的运行轨迹已严重改变，与近靶材处完全不一样，整个区域均匀分布着块状颗粒和气相粒子。

4.根据权利要求权利要求1至3中任一所述的涂层柱状晶-楔形结构的高可控制备方法，其特征在于：所述步骤S2中：

在开启射频功率200W-1000W后，中间强磁区会快速俘获80％-95％的电子，即电子在S、N中间做循环往复圆周运动，中心弱磁区可俘获5％-15％的电子，边缘弱磁区只可俘获0％-10％的电子；通入Ar气后，Ar原子获得强磁区域的电子形成Ar⁺离子，Ar⁺离子轰击靶材，溅射出目标材料，强磁区电子密度远高于弱磁区，因而能产生更多的Ar⁺离子来溅射靶材，强磁区域的靶材溅射率增强，易溅射出固态的块状颗粒，该固态颗粒难以气化，且呈锥形发散运行，锥形中间即强磁区中心的固态颗粒为微米级，粒径介于1μm-10μm，锥形边缘即强磁区边缘的固态颗粒为纳米级至亚微米级，粒径介于50nm-1μm，块状颗粒是形成楔型结构的必备原料；而两个弱磁区电子密度均较低，Ar⁺离子密度低，溅射率低，只能溅射出纯气相的原子量级的靶原子或小团簇粒子，气相粒子会分布在整个腔室内，且越靠近靶材轴心区域，气相粒子密度越高，气相粒子是形成柱状晶不可或缺的原料。

5.根据权利要求4所述的涂层柱状晶-楔形结构的高可控制备方法，其特征在于：所述步骤S3中：

在近靶材处的中心弱磁区，只存在气相粒子，生长的涂层呈现纯柱状晶结构；

在近靶材处的强磁区中心，存在气相粒子和高密度微米级固态颗粒，生长涂层呈现纯楔形结构；

在近靶材处的强磁区边缘，存在气相粒子和低密度纳米级至亚微米级固态颗粒，生长涂层呈现柱状晶-楔形混合结构；

在近靶材处的边缘弱磁区，只存在气相粒子，生长的涂层也呈现纯柱状晶结构，但厚度、柱状晶尺寸均低于近靶材处中心弱磁区生长的涂层；

而在远靶材处的任意位置，整个区域均匀分布着气相粒子和块状颗粒，生长涂层均呈现柱状晶-楔形混合结构。