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高压耦合高功率脉冲磁控溅射的增强放电效应

吴忠振 田修波 潘锋 Ricky K. Y. Fu 朱剑豪

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高压耦合高功率脉冲磁控溅射的增强放电效应

吴忠振, 田修波, 潘锋, Ricky K. Y. Fu, 朱剑豪

Enhanced discharge of high power pulsed magnetron sputtering coupling with high voltage

Wu Zhong-Zhen, Tian Xiu-Bo, Pan Feng, Ricky K. Y. Fu, Paul K. Chu
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  • 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-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.
    Plasma source ion implantation and deposition, as an effective technology to produce functional coatings with high adhesion and density, possesses the wide application prospect, especially in the deposition of coatings that work in high loading service conditions. The key component of this technology is the metal plasma source, which is now based on pulsed cathodic arc with complex source structure and magnetic filtration because of the macro-droplets in the ion flux. In this paper, we present another metal plasma source, high power pulsed magnetron sputtering (HPPMS), and investigate the discharge characteristics at different coupling high-voltages by optical emission spectroscopy. The results show that significant improvements are found in the discharge target current and main particles in the plasma. The improvement in gas discharge by the coupling high-voltage is greater than in metal discharge which could increase obviously in the self-sputtering stage with higher target voltage discharge. Last but not least, in this paper we discuss the discharge enhancing mechanism of coupling high-voltage. It is found that the self-excited glow discharge of coupling high-voltage, the hollow-cathodic effect induced by face-to-face negative voltages of HPPMS and coupling high-voltage, and the enhanced ambipolar diffusion of the coupling high-voltage can all play a considerable role in HPPMS discharge.
    • 基金项目: 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,JCYJ20120614150338154,CXZZ20120829172325895)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51301004, U1330110) and the Shenzhen Science and Technology Research Grant, China (Grant Nos. SGLH20120928095706623, JCYJ20120614150338154, CXZZ20120829172325895).
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出版历程
  • 收稿日期:  2014-03-25
  • 修回日期:  2014-05-13
  • 刊出日期:  2014-09-05

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