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筒形高功率脉冲磁控溅射源的开发与放电特性
  • ISSN号:1000-3290
  • 期刊名称:《物理学报》
  • 时间:0
  • 分类:O484.1[理学—固体物理;理学—物理]
  • 作者机构:[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
  • 相关基金: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,JCYJ20150828093127698); 香港城市大学应用研究基金(批准号:9667122)资助的课题.
中文摘要:

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40μs,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.

英文摘要:

High power impulse magnetron sputtering(Hi PIMS) is a popular physical vapor deposition(PVD) technology because of the high ionization of the sputtering materials,large coating density,good adhesion,and other favorable properties.However,this technique suffers some disadvantages such as the small deposition rate induced by the high target potential,the "metallic droplets" produced by the unstable discharge,and different ionizations for different sputtering materials,thereby hampering wider acceptance by the industry.A cylindric Hi PIMS source in which the discharge is restricted in the cylinder is described in this paper.By using this source,coatings can be deposited with 100% ions without "metallic droplets" arising from the unstable discharge,and the unionized sputtered atoms cannot be extracted by the extraction grid with negative potential.Electron oscillation and repetitive sputtering of the unionized atoms occur in the cylinder to enhance collision and ionization.Due to the enlarged discharge area by the cylinder internal surface comparing with the area of the ion outlet(end face of the cylinder),the sputtering ions converge from the inwall to the center of the cylinder target and form an enhanced flow to spray out from the source,which will improve the deposition rate.The structure and discharge characteristics of the novel Hi PIMS source are investigated by simulation and experiments.Our results indicate that 8 magnets can provide the reasonable magnetic field and the highest target utilization rate.The distributions of electrons and ions in the target each consist of 8 petals in the optimized magnetic structure,and the highest plasma density happens near the target,which is above 1.3×10^17m^-3.The discharge characteristics confirm that the cylindric sputtering source can be operated under Hi PIMS conditions and the evolution of the target currents with target voltage exhibits I-V characteristics typical of Hi PIMS.An obvious pre-ionization is observed on the discharge glow and discha

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期刊信息
  • 《物理学报》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国物理学会 中国科学院物理研究所
  • 主编:欧阳钟灿
  • 地址:北京603信箱(中国科学院物理研究所)
  • 邮编:100190
  • 邮箱:apsoffice@iphy.ac.cn
  • 电话:010-82649026
  • 国际标准刊号:ISSN:1000-3290
  • 国内统一刊号:ISSN:11-1958/O4
  • 邮发代号:2-425
  • 获奖情况:
  • 1999年首届国家期刊奖,2000年中科院优秀期刊特等奖,2001年科技期刊最高方阵队双高期刊居中国期刊第12位
  • 国内外数据库收录:
  • 美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国科学引文索引(扩展库),英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:49876