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筒形高功率脉冲磁控溅射源的开发与放电特性

肖舒 吴忠振 崔岁寒 刘亮亮 郑博聪 林海 傅劲裕 田修波 潘锋 朱剑豪

筒形高功率脉冲磁控溅射源的开发与放电特性

肖舒, 吴忠振, 崔岁寒, 刘亮亮, 郑博聪, 林海, 傅劲裕, 田修波, 潘锋, 朱剑豪
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  • 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40 s,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.
      通信作者: 吴忠振, wuzz@pkusz.edu.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:51301004,U1330110)、深圳科技研究基金(批准号:JCYJ20140903102215536,JCYJ2015 0828093127698)和香港城市大学应用研究基金(批准号:9667122)资助的课题.
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-05-26
  • 修回日期:  2016-06-21
  • 刊出日期:  2016-09-20

筒形高功率脉冲磁控溅射源的开发与放电特性

  • 1. 北京大学深圳研究生院新材料学院, 深圳 518055;
  • 2. 香港城市大学物理与材料科学系, 香港 999077
  • 通信作者: 吴忠振, wuzz@pkusz.edu.cn
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号:51301004,U1330110)、深圳科技研究基金(批准号:JCYJ20140903102215536,JCYJ2015 0828093127698)和香港城市大学应用研究基金(批准号:9667122)资助的课题.

摘要: 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40 s,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.

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