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脈沖磁控濺射電源的鍍膜效率

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脈沖磁控濺射電源的鍍膜效率

作者:深圳市英能電氣有限公司

時(shí)間:2023-04-08

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(lái)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(guò)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(guò)調(diào)節(jié)脈沖電壓和頻率來(lái)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(guò)程中靶表面溫度可以超過(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)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(guò)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(guò)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(shuō)明了在 PSMS過(guò)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(lái)的原子首先沉積到靶材表面。

三、結(jié)論

通過(guò)對(duì) PSMS過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)研究了 PSMS過(guò)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(guò)這些研究結(jié)果可以為 PSMS過(guò)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)

1.張斌,張雪華,李兆榮,等。脈沖磁控濺射電源對(duì)鍍膜效率的影響。靶材溫度對(duì)薄膜性能的影響。物理學(xué)報(bào),2005,37 (1):756-763.

2.陳福勝,高立華。

3.蔡元國(guó)。

4.葉文文。

5.邱家祥等。磁控濺射電源的放電特性研究。材料研究與測(cè)試,2005,11 (4):523-532.




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