高功率脉冲磁控溅射研究进展

高功率脉冲磁控溅射(High-power impulse magnetron sputtering,Hi PIMS)是一种峰值功率极高,靶材原子高度离化的离化物理气相沉积技术。Hi PIMS电源高压脉冲输出到磁控靶的脉冲功率密度可达103k W/cm2;施加在溅射靶上的负电压只有在达到或超过"雪崩式"放电机制的阈值电压时才能获得百安级的靶电流峰值;在瞬时高压脉冲的作用下,靠近靶表面的离化区域等离子体密度可以达到1018～1019m-3,试验测得Cu等离子体的离化率可达60%～70%;脉宽、频率、波形等脉冲特征对等离子体放电有显著影响,进而影响沉积速率和薄膜性能;相比直流磁控溅射,可以获得更加平滑致密的沉积薄膜,改善膜基结合反应,同时拥有良好的绕镀性;偏压、沉积速率和气压等会对Hi PIMS的沉积过程产生影响,进而影响薄膜的显微组织和力学性能。     

外扩型电磁场控制筒形阴极内等离子体放电输运特性的仿真研究

筒形阴极由于具有向内放电的特性,可改善高功率脉冲磁控溅射技术放电不稳定、溅射材料离化率差异大等缺陷.然而其产生的等离子体仅能依靠浓度差扩散的方式向基体运动,沉积速率并没有明显改善,尤其是在远离阴极区域.使用外扩型磁场对离子运动进行引导,可实现等离子体的聚焦和远距离输运,从而减少离子损失,提高沉积效率.本文从模拟和实验的角度对磁场的布局与设置进行研究,并获得不同磁场条件下的等离子体空间和时间输运特性及其对薄膜沉积的影响.结果表明电磁场的引入不仅可以大幅提高筒形阴极内等离子体的引出效率,实现不同程度的引出或聚焦,而且对等离子体放电也产生明显的增强或减弱,可根据不同的需求或材料进行精确调控.通过控制磁场,可获得较强的Hi PIMS放电和较高的沉积速率,实验结果与仿真预测相符合.该工作完善了Hi PIMS沉积技术在沉积效率上的不足,拓宽了筒形阴极的溅射工艺窗口和适用范围,有助于Hi PIMS更进一步的推广与应用.     

筒内高功率脉冲磁控放电的电磁控制与优化

高功率脉冲磁控溅射(Hi PIMS)技术被提出以来就受到广泛关注,其较高的溅射材料离化率结合适当的电磁控制,可产生高致密度、高结合力和高综合性能的涂层,但其沉积速率低、放电不稳定、溅射材料离化率差异较大.我们设计了一种筒形溅射源,通过对结构的设计优化,利用类空心阴极放电效应,使问题得到解决.然而其靶面切向磁场不均匀,电子逃逸严重,进而造成等离子体密度偏低,且放电不均匀.本文通过对其放电和等离子体分布进行仿真,提出电场阻挡和磁铁补偿两种方案,研究了不同电场控制条件下的放电行为和等离子体分布.结果表明:增加电子阻挡屏极可以生成势阱,从而有效抑制电子从边缘的逸出;优化后的磁铁补偿可以显著提高靶面横向磁场的均匀性及靶面利用率.两种方案同时作用时,Hi PIMS放电刻蚀环面积更大、且更加均匀.     

筒形高功率脉冲磁控溅射源的开发与放电特性

高功率脉冲磁控溅射以较高的溅射材料离化率及其所带来的高致密度、高结合力和高综合性能成为物理气相沉积领域的新宠,然而其沉积速率低、放电不稳定、溅射材料离化率不一等缺点阻碍了其在工业界的推广和应用.针对高功率脉冲磁控溅射技术固有的缺陷,我们从靶源出发,设计了一种筒形溅射源,将放电限制在筒形溅射源内部,放电不稳定喷溅出的"金属液滴"和溅射出来但并未离化的溅射材料无法被负电位的引出栅引出而影响薄膜沉积,只有离化的溅射材料可以引出并沉积形成薄膜,而电子将在筒形溅射源内部反复振荡,和未离化的溅射原子剧烈碰撞,带动进一步离化.本文通过磁场和放电的模拟发现筒形溅射源内部电子、离子呈花瓣状分布,8条磁铁均匀分布的结构具有最优的靶材利用率.据此开发的筒形溅射源可在高功率脉冲磁控溅射条件下正常放电,其放电靶电流随靶电压变化呈现出高功率脉冲磁控溅射典型的伏安特性特征,复合电流施加后,有明显的预离化作用.溅射"跑道"面积占靶材表面的60%以上,筒形溅射源中心的离子电流波形与靶电流波形类似,但相对靶电流延迟约40μs,数值约为靶电流的1/10.结果证明,筒形溅射源可有效地应用到高功率脉冲磁控溅射放电中,并成为促进其推广和应用的一种新路径.     

高功率脉冲磁控溅射钛靶材的放电模型及等离子特性

等离子密度及金属离化率是影响高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜质量的关键因素,高功率脉冲磁控溅射参数(如电压、脉宽、沉积气压及峰值电流等)影响着等离子密度和金属离化率.本文利用MATLAB/SIMULINK建立等效电路模型,对高功率脉冲磁控溅射钛(Ti)靶材的放电电流曲线进行模拟,利用鞘层电阻计算Ti靶材鞘层处的等离子密度,并采用半圆柱体-整体模型理论计算Ti的离化率.研究发现:采用由电容、电感和电阻组成的等效电路模型,可以模拟Ti靶材的放电电流;在不同高功率脉冲溅射电压、脉冲宽度和不同沉积气压下,真空室等离子密度在2×10~(17)—9×10~(17) m~(–3)范围内,随着溅射电压、脉冲宽度及沉积气压的增加,鞘层处的平均等离子密度增大;在不同沉积气压下, Ti的离化率值在31%—38%之间,随着气压增加, Ti的离化率增加.     

GDP/D-GDP化学结构与力学性能的研究

利用低压等离子体增强化学气相沉积技术制备碳氢辉光放电聚合物(GDP)和全氘代辉光放电聚合物(D-GDP)薄膜。利用表面轮廓仪、傅里叶红外光谱仪和纳米压痕技术对制备的样品进行表征,讨论了GDP/D-GDP薄膜的沉积速率、化学结构和力学性能在ICF物理实验用靶应用中的优缺点。结果表明:GDP/D-GDP薄膜的沉积速率都随反应气体流量比例近线性增加,GDP的沉积速率达到2.6μm,D-GDP的沉积速率达到1μm,GDP的沉积速率远大于D-GDP的沉积速率;D-GDP薄膜内部的交联化程度较弱,D-GDP更有利于靶丸内燃料的红外均化;GDP的力学性能明显优于D-GDP,更有利于ICF物理实验用靶的燃料填充与装配操作。     

薄膜靶整形强激光脉冲的理论分析和数值模拟

超强超短脉冲激光广泛应用于粒子加速以及新型X射线辐射源产生。较长的激光脉冲上升前沿直接影响激光应用效果。等离子体薄膜靶作为新型光学介质开关,可以有效降低超强激光脉冲前沿上升时间,优化激光等离子体相互作用参数。采用一维理论分析和粒子模拟方法研究了等离子体薄膜靶实现超强激光脉冲整形的机制。研究结果表明,薄膜靶通过对激光脉冲的非线性调制,可有效实现脉宽缩短和脉冲陡化;对比单层靶调制结果,选择参数优化的双层靶,可进一步优化脉冲整形效果,获得更短脉宽和更高振幅的激光脉冲;对于峰值振幅高于薄膜靶击穿阈值的超强激光,脉冲上升前沿可得到明显陡化,薄膜靶的击穿是产生这种脉冲整形效果的直接原因。     

高压耦合高功率脉冲磁控溅射的增强放电效应

等离子体源离子注入与沉积技术作为一种可生产高结合力、高致密度涂层的真空镀膜技术,具有广阔的应用前景,尤其适用于高载荷工况下服役的功能涂层制备.该技术中金属等离子体源是关键,而现有的脉冲阴极弧源结构复杂,且由于伴随"金属液滴"而需要增加过滤装置.本文研究了另一种简单结构的金属等离子体源备选一高功率脉冲磁控溅射源(HPPMS)的放电特性,采用等离子体发射光谱仪探索了不同的耦合高压对HPPMS放电靶电流特性和等离子体特性的作用.发现耦合高压对HPPMS放电有明显的促进作用,相同靶电压下的放电强度大幅增加,相对于金属放电,耦合高压对气体放电的促进作用更加明显,但在自溅射为主的高压放电阶段对金属放电的促进作用明显增强.讨论了耦合高压对HPPMS放电的增强机制,发现耦合高压自辉光放电、耦合高压和HPPMS电压构成双向负压形成的空心阴极效应,以及耦合高压鞘层改善的双极扩散效应都对HPPMS放电的增强有明显作用.     

非平衡磁控溅射系统离子束流磁镜效应模型

为了研究非平衡磁控溅射沉积系统的等离子体特性，采用常规磁控溅射靶和同轴约束磁场构成非平衡磁控溅射沉积系统.在放电空间不同的轴向位置，Ar放电，02Pa和150V偏压条件下，采用圆形平面离子收集电极，测量不同约束磁场条件下的饱和离子束流密度.研究结果表明，在同轴磁场作用下，收集电极的离子束流密度能达到饱和值9mA/cm2左右，有利于在沉积薄膜的过程中产生离子轰击效应.根据磁流体理论分析了同轴约束磁场形成的磁镜效应和对放电过程的影响机理.实验与模型计算结果的比较表明，模型从理论上表达了同轴磁场约束对非平衡磁控溅射等离子体特性的影响规律. 关键词： 等离子体 金属薄膜/非磁性 磁控溅射 磁镜     

非平衡磁控溅射系统的离子束流控制

在非平衡磁控溅射沉积非磁性金属薄膜过程中,离子,原子到达比、沉积速率等参数是影响薄膜结构和性能的重要因素。根据非平衡磁控溅射沉积过程中离子的分布特点,分别考虑离子和中性粒子的传输,导出了对圆形平面靶非平衡磁控溅射沉积薄膜的放电功率、气压和离子束流密度等参数之间的关系,阐明了放电参数对于沉积过程离子束流密度等参数的影响。在Ar放电条件下,测量了系统的伏安特性;采用偏压平面离子收集电极测量了溅射系统轴向离子束流密度随不同的气压、溅射电流和空间位置的变化规律。结果表明模型分析的结论和实验数据的变化趋势相符合。     

脉冲射频等离子体聚合沉积乙烯基乙酸

通过脉冲射频等离子体聚合方法获得乙烯基乙酸沉积薄膜，并用红外光谱、x射线光电子能 谱、表面张力、微分扫描量热分析及扫描电子显微镜等测试方法研究聚合沉积薄膜的化学结 构、表面物理形貌与脉冲放电条件的关系. 实验结果表明，采用脉冲放电，在脉冲占空比较 低时，能够保留较多的完整的单体分子官能团. 如果脉冲占空比较高或是采用连续波放电时 ，聚合沉积薄膜的化学结构与单体相比有较大改变. 聚合沉积薄膜在放置一段时间后表面为 规整的高度交联的网络状结构. 放电形式不同，结构有所区别. 因此可以根据实际需要，选 择不同的 关键词： 等离子体聚合 脉冲射频放电 乙烯基乙酸     

筒形溅射阴极的磁场优化及其高功率放电特性研究

基于高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术开发的筒形溅射阴极,配合电磁系统可有效地提升等离子体的输运效率.然而电磁系统的引入反作用于筒内放电特性,从而使靶面放电面积和放电强度无法同时维持.鉴于此,本文通过调整磁场布局,研究了靶面切向(横向)磁场和法向(纵向)磁场对靶面放电的作用规律,优化后靶面切向磁场分布更加均匀,磁场强度高于40 mT的靶面区域占比由51%增至67%,同时法向峰值强度外移,强度由73 mT增至96 mT.采用Ar/Cr体系放电发现:相同工艺条件下,优化后的溅射阴极辉光变亮,靶电流增大,放电面积变宽,放电特性得到显著提升.利用等离子体整体模型仿真和发射光谱仪检测发现优化后离子电流和光谱强度得到明显提升,Cr粒子密度提高一倍,增至2.6×10^20 m^–3,且离化率上升至92.1%,同时输出离子通量提高近一倍,实现了靶面放电与离子输出的双促进.     

高功率脉冲磁控溅射的阶段性放电特征

本文从放电靶电流出发,采用一种新的研究方法,即将靶电流分解为多个代表具体放电特性的特征参数,全面而系统的研究了不同的工作气压条件下,靶电流各特征参数随靶电压的增加而进行的演化.结果发现高功率脉冲磁控溅射技术(HPPMS)放电靶电流在靶电压由低向高增加的过程中,出现靶电流峰值和平台值的交替变化,体现出明显的阶段性放电特征,且不同的放电阶段在不同气压下出现一定的移动,会在测量范围内出现某些放电阶段的缺失.本文还通过等离子体发射光谱对HPPMS放电靶前等离子体测量发现五个不同的放电阶段分别主要对应氩原子、铬原子、氩离子、铬离子和氩、铬高价离子的放电,但不同的放电条件下相邻的阶段会出现一定程度的交叠.     

直流电源耦合高功率脉冲非平衡磁控溅射电离特性

采用直流电源放电形成高功率脉冲非平衡磁控溅射(dc-high power impulse unbalanced magnetron sputtering,dc-HPPUMS 或dc-HiPiUMS),利用雪崩放电的击穿机理形成深度自触发放电,同轴线圈和空心阴极控制放电特性和提高功率密度.磁阱俘获雪崩放电形成的二次电子和形成漂移电流,形成了大电流脉冲放电,放电脉冲电流密度峰值超过100 A/cm²,脉冲频率小于40 Hz.由于放电等离子体远没有达到平衡状态,放电电流主要受到空间电荷效应 关键词： 放电 脉冲技术     

气压对大面积等离子体片电子密度分布的影响

利用脉冲磁约束线形空心阴极放电装置,在15mT磁场约束下,产生了持续时间为200μs、峰值放电电流为3A、面积为60cm×60cm的大面积等离子体片。采用快帧法和旋转空心阴极法,在90~210Pa内,利用朗缪尔探针首次获得了不同气压的等离子体片的厚度向电子密度分布及其演化构成的二维分布图;研究了在同等峰值放电电流条件下,等离子体片达到最大厚度向峰值电子密度时,气压对所需放电时间、最大厚度向峰值电子密度及电子密度半高宽的影响。结果表明:在相同的峰值放电电流条件下,等离子体片达到最大厚度向峰值电子密度的时间随气压的降低而减小;气压越低,最大厚度向峰值电子密度越大,电子密度半高宽越小。     

基于磁控溅射和ICP刻蚀的RB-SiC表面平坦化工艺

采用射频磁控溅射技术在RB-SiC表面沉积Si平坦化层,通过正交试验研究了射频功率、Ar流量和工作气压三个因素对薄膜表面质量和形貌的影响规律,以获取最佳的薄膜沉积参数.射频功率120 W、工作气压1.2Pa和Ar流量40sccm条件下获得了最佳质量的平坦化样品,利用电感耦合等离子体对平坦化膜层进行刻蚀抛光,通过Lambda950分光光度计测试不同工艺阶段样品表面的反射率.结果表明,相比于未处理的RB-SiC初始样品,经过平坦化和等离子体刻蚀的样品表面粗糙度标准差值由1.819nm减小至0.919nm,样品表面反射率相应地提高了2%.由此说明射频磁控溅射平坦化沉积与电感耦合等离子体刻蚀的组合工艺可实现RB-SiC表面的高质量加工.     

HL-2Aװ��SDD��X����PHA����ʵ����

用软X射线脉冲高度分析(PHA)阵列系统获得了等离子体的电子温度剖面和电子速率分布的时间演化。测量结果表明,电子温度剖面在OH阶段较平缓,接近抛物线1.0×[1-(r/a)2]2分布;而在ECRH(功率0.8MW)阶段,等离子体中心(z＝0)电子温度上升了0.6keV,边缘(z＝30cm)处只上升了0.1keV,反映出ECRH功率沉积在等离子体中心区域;在ECRH期间有大量的高能电子产生,因而电子速率分布在ECRH期间显著改变;等离子体中心的高能电子的数量和能量都比等离子体边缘的增加更大,ECRH(～0.8MW)期间等离子体中心(z＝0)产生的高能电子的能量可达17keV。分析表明：在ECRH(纵场Bt=1.3T)放电期间,ECRH加热效果显著,ECRH的功率主要沉积在等离子体中心附近;电子温度剖面在ECRH阶段较OH阶段峰化;ECRH期间有大量的高能电子产生,电子速率分布被改变成为非麦克斯韦分布。     

脉冲激光沉积PMN-PT薄膜及其性能研究

以较低温度烧结获得的PMN-PT块材料为靶,采用脉冲激光沉积方法在石英衬底上制备了PMN-PT薄膜,研究了后续退火处理对PMN-PT薄膜的结构及光学特性的影响.结果显示,采用脉冲激光沉积可获得质量较好的钙钛矿结构的PMN-PT薄膜,优化的后续退火温度大约在550℃～750℃之间.     

感应耦合等离子体增强射频磁控溅射沉积ZrN薄膜及其性能研究

利用感应耦合等离子体(ICP)增强射频磁控溅射技术在Si(111)片和M2钢表面制备了ZrN薄膜,研究了基片的温度和ICP功率对ZrN薄膜的结构以及性能影响.研究发现：在基片温度≤300℃沉积的ZrN薄膜择优取向为(111);基片温度达到450℃时薄膜出现ZrN(200)衍射峰,ZrN(111)晶面的织构系数明显降低.传统磁控溅射沉积薄膜为柱状结构,当ICP为200 W,基片温度为300℃时沉积薄膜中柱状晶体消失;随着基片温度的升高,N/Zr元素比例降低,并且薄膜的电阻率下降;相对于传统溅射,ICP增强射 关键词： 感应耦合等离子体 磁控溅射 ZrN 微结构     

外加磁场对射频磁控溅射制备铝掺杂氧化锌薄膜影响的研究

利用射频磁控溅射法制备了铝掺杂氧化锌(AZO)透明导电薄膜,在传统的磁控溅射系统中引入外加磁场,研究了外加磁场对AZO薄膜沉积速率、形貌结构及光电特性的影响.研究结果表明,外加磁场后薄膜的沉积速率从不加磁场的13.04 nm/min提高到了19.93 nm/min;外加磁场后薄膜表面平整致密、颗粒大小均匀,结晶质量较高,而不加磁场薄膜表面形貌呈蠕虫状,薄膜质量较差.溅射时间为90 min时,外加磁场前后AZO薄膜方阻分别为30.74?/和12.88?/.外加磁场对薄膜可见光透过率影响不大,但使薄膜的吸收边蓝移现象更明显.运用ansys软件对磁控溅射二维磁场分布模拟后发现,外加磁场提高了靶上方横向磁场强度,改善了磁场分布的均匀性,加强了磁场对电子的磁控作用,提高了靶电流,是AZO薄膜的溅射速率、光电性能和形貌结构得到提高和优化的原因.