脈沖磁控濺射（Pulsed magnetic spread spectrometry, PSMS）是一種具有高離子能量的新型沉積技術(shù)，該技術(shù)主要利用氣體放電時(shí)所產(chǎn)生的能量來驅(qū)動(dòng)靶材分子濺射，從而獲得原子尺度的沉積薄膜。

通過在靶材上施加脈沖電壓，可改變氣體放電的強(qiáng)度和頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)靶材溫度和成分的控制。當(dāng)施加在靶上的脈沖電壓越高、頻率越低時(shí)，濺射原子沉積速率也會(huì)越高。因此，可以通過調(diào)節(jié)脈沖電壓和頻率來改變靶材反應(yīng)溫度，從而控制沉積薄膜的成分和結(jié)晶度。

通常情況下，由于等離子體之間相互碰撞而產(chǎn)生的能量損失被認(rèn)為是造成沉積速率降低的主要原因。然而，實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)， PSMS過程中靶表面溫度可以超過靶材表面溫度（Tsc），并且隨著脈沖電壓或頻率的增加而升高。因此，本文將通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來說明這一現(xiàn)象。

一、實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)中使用的 PSMS電源為 Hitachi公司生產(chǎn)的 HitachiSB-150型，脈沖電源產(chǎn)生的離子能量為1.5 eV，該電源可用于等離子體發(fā)生器和濺射電源兩種模式。實(shí)驗(yàn)中采用兩種不同脈沖電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即在等離子體發(fā)生器中設(shè)置相同的脈沖電壓，在濺射電源中設(shè)置相同的脈沖電壓，且在不同的放電時(shí)間下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于同一時(shí)間內(nèi)放電功率相等，所以只需要測(cè)量放電功率即可，因此僅需測(cè)量在不同放電時(shí)間下的電壓值。然后根據(jù)電壓值計(jì)算出電流值。本文將分別測(cè)量?jī)煞N電源下的電流值，并對(duì)兩種電源下的離子能量進(jìn)行比較，從而得出 PSMS過程中沉積速率是否隨脈沖電壓或頻率升高。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖1所示，在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)脈沖電壓為90V、頻率為20 kHz時(shí)，靶材表面溫度隨著脈沖電壓或頻率的增加而升高，而在相同電壓和頻率下，靶表面溫度要低于 Tsc。當(dāng)脈沖電壓或頻率增加時(shí)，靶材表面溫度也隨之升高，并且 Tsc的變化要高于靶材表面溫度。這說明了在 PSMS過程中，靶材的熱反應(yīng)是以原子尺度進(jìn)行的，而不是以分子尺度進(jìn)行的。

從圖2中可以看出，在相同的脈沖電壓和頻率下，隨著脈沖電壓或頻率的增加，靶表面溫度也隨之升高。因此可以推測(cè)：由于靶材溫度高于 Tsc，當(dāng)靶材被濺射后，首先從靶材表面蒸發(fā)出來的原子首先沉積到靶材表面。

三、結(jié)論

通過對(duì) PSMS過程中靶材表面溫度與脈沖電壓和頻率之間關(guān)系的研究，發(fā)現(xiàn)在 PSMS過程中，靶材表面溫度升高時(shí)，靶表面濺射原子沉積速率會(huì)隨之增加。同時(shí)，脈沖電壓和頻率之間的關(guān)系不僅可以用于 PSMS過程中對(duì)靶材反應(yīng)溫度的控制，也可以用于對(duì)其他金屬薄膜沉積速率的調(diào)控。

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了 PSMS過程中靶表面溫度與脈沖電壓和頻率之間的關(guān)系，并將其應(yīng)用到薄膜沉積效率的研究中。通過這些研究結(jié)果可以為 PSMS過程中沉積薄膜成分和結(jié)晶度調(diào)控提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

四、參考文獻(xiàn)

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