高压耦合高功率脉冲磁控溅射的增强放电效应

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.63,No.18(2014)185207高压耦合高功率脉冲磁控溅射的增强放电效应吴忠振1)2)y田修波2)潘锋1)RickyK.Y.Fu3)朱剑豪3)1)(北京大学深圳研究生院新材料学院,深圳518055)2)(哈尔滨工业大学,先进焊接与连接国家重点实验室,哈尔滨150001)3)(香港城市大学物理与材料科学系,九龙)(2014年3月25日收到;2014年5月13日收到修改稿)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

2、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—–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

3、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.关键词:高功率脉冲磁控溅射,耦合高压,放电靶电流,等离子体发射光谱PACS:52.80.–s,52.25.Jm,52.70.–m,52.70.DsDOI:10.7498/aps.63.185207大降低[8].1引言磁控溅射技术最初采用直流供电模式,并作为一种无大颗粒产生的低温沉积技术被广泛应用等离子源离子注入技术最早是由美国Conrad在工业生产中,但其溅射材料离化率很低,故

4、而教授[1]在1987年提出的,后来在此原理上,人们结无法用于进行离子注入与沉积.然而1999年,瑞合了各种离子源,通过离子源与高压的匹配,提出典Kouznetsov等[9]提出高功率脉冲磁控溅射技术了针对几乎所有金属、气体、甚至化合物离子的注入与沉积技术[2;3].目前,该技术已经被广泛地应(HPPMS),该技术利用较高的脉冲峰值功率和较低的脉冲占空比来产生高的溅射材料离化率,同用在活塞、冲头等工、模具工件的表面改性上,用时具有等离子体密度高[10]、离子能量高[11]、离子来注入与沉积具有一定厚度且结合良好的各种薄[12][13

5、]膜[46].目前用于离子注入与沉积的金属离子源一平均电荷态高、成膜离子比例高等优点,具般为脉冲阴极弧离子源,其主要靠电弧放电产生高备了优秀金属离子源的基本特征.于是我们将H-离化的金属离子束流,然后过量的电弧热使得其产PPMS电源与高压脉冲电源匹配起来,提出了基于HPPMS技术的等离子体注入与沉积技术[14;15],不生的束流中包含大量“金属液滴”,沉积之后破坏薄膜质量[7].使用磁过滤系统虽然具有一定的效果,仅实现了简单、且无大颗粒破坏的涂层沉积[16],同但是不仅增加了设备复杂性,同时也使沉积效率大时也使得沉积效率相对纯HP

6、PMS技术有了明显国家自然科学基金(批准号:51301004,U1330110)和深圳市科技计划(批准号:SGLH20120928095706623,JCYJ-20120614150338154,CXZZ20120829172325895)资助的课题.†通讯作者.E-mail:wuzz@pkusz.edu.cn©2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn185207-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.63,No.18(2014)185207提高,甚至超

7、过常规直流磁控溅射技术[17].这些优据见文献[20].本文将光谱仪安装好,通过真空装势得益于高压对HPPMS放电的耦合,但是其具体置将探头接入真空室中,并将探头前段套一内径耦合作用和放电机制却并不明确.3mm、长18cm的陶瓷管,以避免光纤探头污染.本文采用高性能数字示波器和等离子体发射将探测端口用钢架固定,并对准靶材放电区,然后光谱仪对不同高压耦合下的HPPMS放电进行了关闭真空室盖,开始实验.当系统起辉后,调整工系统研究,发现高压对HPPMS放电靶电流和放电艺参数,并记录不同放电状态的光谱谱线,以供分等离子体密度、离化率有明显

8、的促进作用,揭示了析处理.该增强的放电行为主要归因于耦合高压的自辉光对等离子体发射光谱进行定性分析或半定量放电增强、耦合高压和HPPMS电压双向负压形成分析,可以获得等离子体成分及其近似含量.定性的空心阴极效应增强和耦合高压作用下的双