工作参数对电场增强高功率脉冲磁控溅射的调制作用研究

基于辅助阳极的电场增强高功率脉冲磁控溅射(Hi PIMS)技术改善了常规Hi PIMS放电及镀膜过程。研究工作参数对电场增强Hi PIMS的调制作用可为该技术的应用提供理论依据。利用数字示波器收集Hi PIMS基体离子电流,分析了不同工作气压、靶基间距、脉冲频率和脉冲宽度等工作参数对基体离子电流的调制作用规律。利用扫描电镜观察了钒膜的截面形貌特征。结果表明:在相同的靶电压下,基体离子电流平均值随工作气压的增加而增加并逐渐达到饱和值;随靶基间距的增加基体离子电流平均值逐渐减小;随脉冲频率的增加基体离子电流平均值逐渐减小后趋于稳定;当脉冲宽度为150μs时的基体离子电流平均值高于脉冲宽度为200μs时的基体离子电流平均值。工作参数对膜层的制备具有调制作用,在适中的工作参数下,电场增强Hi PIMS获得的钒膜与基底结合良好、膜层致密完整。     

工作参数对电场增强高功率脉冲磁控溅射的调制作用研究北大核心CSCD

基于辅助阳极的电场增强高功率脉冲磁控溅射(Hi PIMS)技术改善了常规Hi PIMS放电及镀膜过程。研究工作参数对电场增强Hi PIMS的调制作用可为该技术的应用提供理论依据。利用数字示波器收集Hi PIMS基体离子电流,分析了不同工作气压、靶基间距、脉冲频率和脉冲宽度等工作参数对基体离子电流的调制作用规律。利用扫描电镜观察了钒膜的截面形貌特征。结果表明:在相同的靶电压下,基体离子电流平均值随工作气压的增加而增加并逐渐达到饱和值;随靶基间距的增加基体离子电流平均值逐渐减小;随脉冲频率的增加基体离子电流平均值逐渐减小后趋于稳定;当脉冲宽度为150μs时的基体离子电流平均值高于脉冲宽度为200μs时的基体离子电流平均值。工作参数对膜层的制备具有调制作用,在适中的工作参数下,电场增强Hi PIMS获得的钒膜与基底结合良好、膜层致密完整。     

电-磁场协同增强高功率脉冲磁控放电特性研究北大核心CSCD

研究电-磁场协同增强高功率脉冲磁控溅射(Hi PIMS)技术的放电特性。利用数字示波器采集Hi PIMS的基体离子电流用于表征其放电特性的变化。结果表明:当Hi PIMS电压由580增加到660 V时,随励磁线圈电流的增加,基体离子电流平均值单调增加;随辅助阳极电压的增加,基体离子电流平均值单调增加;随辅助阳极在真空室内的位置由与阴极靶成45°位置处变化为成180°位置处时,基体离子电流平均值单调减少。电-磁场协同增强Hi PIMS放电效应存在临界条件。当Hi PIMS电压为580 V、励磁线圈电流为4 A。仅阳极电压大于50 V时,电场和磁场产生协同增强放电效应。同时,当辅助阳极电压为70 V,仅励磁电流大于3 A时,电场和磁场产生协同增强放电效应。与常规Hi PIMS相比,电-磁场协同增强Hi PIMS放电时真空室内不同位置处收集的离子束流均显著增加。其中,当辅助阳极位于45°位置处时,在真空室内不同位置(与阴极靶成0°、45°、90°、135°以及180°位置)处的离子束流值最大。     

电-磁场协同增强高功率脉冲磁控放电特性研究

研究电-磁场协同增强高功率脉冲磁控溅射(Hi PIMS)技术的放电特性。利用数字示波器采集Hi PIMS的基体离子电流用于表征其放电特性的变化。结果表明:当Hi PIMS电压由580增加到660 V时,随励磁线圈电流的增加,基体离子电流平均值单调增加;随辅助阳极电压的增加,基体离子电流平均值单调增加;随辅助阳极在真空室内的位置由与阴极靶成45°位置处变化为成180°位置处时,基体离子电流平均值单调减少。电-磁场协同增强Hi PIMS放电效应存在临界条件。当Hi PIMS电压为580 V、励磁线圈电流为4 A。仅阳极电压大于50 V时,电场和磁场产生协同增强放电效应。同时,当辅助阳极电压为70 V,仅励磁电流大于3 A时,电场和磁场产生协同增强放电效应。与常规Hi PIMS相比,电-磁场协同增强Hi PIMS放电时真空室内不同位置处收集的离子束流均显著增加。其中,当辅助阳极位于45°位置处时,在真空室内不同位置(与阴极靶成0°、45°、90°、135°以及180°位置)处的离子束流值最大。     

新型双极性高功率脉冲磁控溅射电源及放电特性研究

独立设计研制了新型两段式双极性脉冲高功率脉冲磁控溅射电源,本电源具备3种工作模式:(1)传统高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)放电模式,(2)双极性脉冲高功率脉冲磁控溅射(BP-HiPIMS)放电模式和(3)两段式双极性脉冲高功率脉冲磁控溅射(DBP-HiPIMS)放电模式。特别是新提出的第三种工作模式,两段式双极性脉冲较传统的单段双极性脉冲具有较大的优势。本文研究了在传统BP-HiPIMS和新DBP-HiPIMS条件下,正向脉冲对Cr靶在Ar气气氛下的放电特性的影响。研究发现:随着正向脉冲电压的增加,BP-HiPIMS和DBP-HiPIMS基体净离子平均电流均明显提高,且相比传统BP-HiPIMS模式,新型DBP-HiPIMS放电模式在不同正向脉冲电压时均具有更高的基体净离子平均电流。正向脉冲电压为100V时,在基体偏压为0V和60V条件下,DBP-HiPIMS模式的基体净离子平均电流较传统BP-HiPIMS模式分别提高47.0%和30.3%。表明新型DBP-HiPIMS放电模式能够进一步提高正向脉冲对离子的推动加速作用,这将有利于膜层质量的提高。     

复合高功率脉冲磁控溅射放电等离子体特性

高功率脉冲磁控溅射具有高的金属离化率,在薄膜制备表现出巨大的优势,成为当前磁控溅射技术领域一个新的发展趋势。高功率脉冲磁控溅射的放电特性、等离子体特性等微观参数对薄膜质量控制具有决定性作用,分析宏观参数如何影响微观参数,有利于提高薄膜质量,稳定工艺。因此,本文研究了脉冲与直流电源并联模式的复合高功率脉冲磁控溅射过程中,脉冲电压(400~800 V)对Ti、Cr靶在Ar气氛中的放电特性、等离子体参数(等离子体电势、电子温度、电子密度)、基体电流的影响。结果表明:复合高功率脉冲磁控溅射Ti、Cr靶放电过程中,脉冲电压的增加有利于脉冲作用期间的靶电压、靶电流、基体电流增加;当Ti靶脉冲电压为600 V或Cr靶脉冲电压为700 V时,电子密度出现较大值。Cr靶与Ti靶放电相比,前者的靶电流、基体电流、等离子体电势、电子温度比后者更高,而电子密度却更低。     

笼网型空心阴极氩气放电特性研究

采用高功率脉冲电源,研究了氩气气氛下工作气压、脉冲电压和频率等参数对笼网型空心阴极放电特性的影响,并对等离子体发射光谱进行了分析。结果发现:在脉冲电压增加到一定程度,脉冲电流随时间呈指数型(n1)激增。提高工作气压、脉冲频率及脉冲电压,笼型空心阴极放电增强。脉冲峰值电流随气压和脉冲电压的升高而增大,但随频率增大呈现降低趋势。光谱分析表明,氩气笼型空心阴极放电主要物种是Ar*和Ar+粒子,随脉冲电压、工作气压及频率的增大,Ar*和Ar+粒子数量增多。     

有开放约束磁场磁控溅射系统等离子体引出

在磁控溅射系统阴极靶施加同轴可调约束磁场显著改善了系统放电特性。研究了在Ar气放电系统伏安特性随不同的气压、溅射电压变化规律。采用同轴平面探针诊断距阴极 60mm、1 1 0mm和 2 30mm三个不同位置收集电流密度 ,负偏压 1 50V。实验结果表明存在不同的开放约束磁场和气压下放电特性符合I∝Vn(n≈ 1 2～ 1 5) ,开放约束磁场降低了系统的放电电压 ,增强了等离子体的引出效果 ,提高了系统在较低真空度的放电稳定性。轴向开放约束磁场显著提高了收集电流密度 ,离子收集通量在距阴极 2 30mm的位置达到 9 5mA/cm2 。收集电流密度达到饱和值后不再受轴向开放约束磁场强度和工作电流的影响。根据磁流体理论讨论了引起系统中伏安放电特性的变化原因。     

工作气压对多脉冲鞘层动力学行为的影响

分别采用低压非稳态扩散流体模型和碰撞流体模型描述了等离子体浸没离子注入平面靶表面过程中等离子体回复扩散和鞘层演化行为,通过数值求解两流体模型研究了不同工作气压下多脉冲鞘层的时空演化动力学特征。计算结果表明,在连续脉冲作用下,开始几个脉冲内的注入离子流和离子碰撞能量较高,几百微秒内迅速降低并达到一个稳定值。多个脉冲作用后的离子注入参数稳定值比初始一个脉冲内的结果更准确,更具理论指导意义。工作气压对初始等离子体密度分布、注入离子流和离子碰撞能量影响显著。较低的工作气压无论对提高离子注入剂量还是离子碰撞能量都是十分有利的。     

有开放约束磁场磁控溅射系统等离子体引出

在磁控溅射系统阴极靶施加同轴可调约束磁场显改善了系统放电特性。研究了在心气放电系统伏安特性随不同的气压、溅射电压变化规律。采用同轴平面探针诊断距阴极60mm、110mm和230mm三个不同位置收集电流密度，负偏压150V。实验结果表明存在不同的开放约束磁场和气压下放电特性符合I∝V^n(n≈1．2-1．5)，开放约束磁场降低了系统的放电电压，增强了等离子体的引出效果，提高了系统在较低真空度的放电稳定性。轴向开放约束磁场显提高了收集电流密度，离子收集通量在距阴极230mm的位置达到9．5mA／cm^2。收集电流密度达到饱和值后不再受轴向开放约束磁场强度和工作电流的影响。根据磁流体理论讨论了引起系统中伏安放电特性的变化原因。     

内径20mm导向套筒内壁处理（2）：空心阴极混合气体放电特性研究

针对高端阀门内径20mm导向套内壁DLC处理,采用高频高压脉冲电源,分别研究了氩气和混合气气氛下脉冲电压、脉宽、频率以及工作气压等参数对管内空心阴极放电伏安特性的影响规律。结果表明:轴向对齐的五个小管内均实现了空心阴极放电,氩气条件下放电电流表现出明显空心阴极放电特征,而混合气条件下电流幅值较为平整。脉冲电压或气压的提高有利于提高放电电流,而脉冲频率的增加会使得峰值电流略有下降,脉宽的增加使得单纯氩气条件下电流峰值逐渐增加,而对于混合其他条件下的峰值电流影响不大,仅使平均电流增加。固定气压10Pa条件下,乙炔流量的变化对放电电流的影响不大,有利于扩大DLC薄膜沉积的工艺窗口范围。以上研究结果为高端阀门小直径导向套等内壁DLC薄膜制备提供工艺基础。     

第十九讲 真空溅射镀膜

<正>(接2015年第6期第80页)(1)磁控溅射的放电特性磁控溅射放电均为低压等离子体放电,各种阴极靶的放电电流—电压特性基本一致。随着放电电流的增加,放电电压均需要增高;随着工作气压的增高,放电电压下降;磁场对放电特性有影响。磁控溅射的电流I和放电电压V的关系服     

辅助阳极对高功率脉冲磁控溅射放电特性的影响

针对高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)存在的低溅射率靶材放电时离化率有待进一步提高的问题,通过增加辅助阳极的方法来提高HIPIMS的离化率。研究了辅助阳极电压、阳极位置以及磁控阳极的类型对HIPIMS放电特性的影响。结果表明:随着阳极电压的增加,基体离子电流值逐渐增大,并且当阳极电压为90 V时,基体离子电流值最高可增加到4倍。随着阳极位置由45°位置处变化为180°位置处时,由于电场在与磁场垂直方向上的分量逐渐减少,导致了基体离子电流值呈现出逐渐下降的趋势。此外,当阳极附加扩散型非平衡磁场后,获得的基体离子电流值最大。辅助阳极处于不同位置时,随着阳极电压的增加,HIPIMS放电系统中Ar~0、Ar~(1+)、V~0和V~(1+)粒子谱线强度均有不同程度的增加。当阳极处于45°位置时,各种粒子谱线强度增加最为显著。增加辅助阳极后HIPIMS放电时真空室内各个位置处的基体离子电流值均有所增加,并且当阳极处于45°位置时的增加幅度最为明显,系统等离子体密度增幅最高可增加到3倍。     

内径20mm导向套筒内壁处理(1):空心阴极氩气放电特性研究

针对高端阀门内径20mm导向套内壁处理,采用高频高压脉冲电源,研究了氩气气氛下工作气压、脉冲电压和频率等参数对导向套空心阴极放电伏安特性的影响,并对工件间距及与阳极距离等放电结构进行了研究。结果表明:管内空心阴极放电需要一个稳定过程,脉冲电流随着时间的增加逐步降低,而后达到稳定放电阶段。提高脉冲电压或工作气压,管内空心阴极脉冲峰值电流增加。脉宽或频率的增加,脉冲峰值电流不变,但平均电流增加,且频率的增加使得激励时间减少。放电结构的分析表明,管间距的减少,放电电流变化不大,而管口与阳极之间距离的减少,使得放电峰值电流略有增加。以上研究结果为高端阀门小直径导向套等内壁薄膜制备提供了有效指导。     

弧光放电氩离子清洗源

弧光放电氩离子清洗源是提高膜基结合力的新技术。由空心阴极枪、热丝弧枪、阴极电弧源发射的高密度弧光电子流把氩气电离,用得到的高密度的氩离子流清洗工件。工件偏压200V以下,工件偏流可以达到10A-30A,弧光放电氩离子流密度大,对工件的清洗效果好。本文介绍了几种配置弧光放电氩离子清洗源的电弧离子镀膜机和磁控溅射镀膜机。     

微孔电极中微孔参数对电声特性的影响

为研究等离子体震源的电声特性随孔特性的变化，采用微孔电极放电，通过电压和电流探头测量负载电特性，阴影成像法和高速相机记录气泡脉动特征，水听器测量声脉冲，主要研究了不同微孔间距和数目下的电特性、气泡脉动和声特性。结果表明，随着微孔间距的增加，负载电压和能量不变，而负载电流和功率却在增加。另外，声脉冲幅值随着间距的增加出现了先上升再下降的趋势，最大可达到148.8 kPa；当孔数增加时，负载的峰值电压和电流虽然减少，但气泡声脉冲数增加，致使直达波的峰值增大。因此，增加孔数对提高微孔电极放电声脉冲的峰值是有利的。     

高功率脉冲磁控溅射试验平台设计及放电特性研究

高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)因其高离化率而得到广泛关注,是目前的热点研究方向,为此我们搭建了试验平台并对HPPMS的放电特性进行了研究.结果表明:脉冲峰值电流随脉冲电压的增加而增加,随着气压的增加而增加.本文为进一步研究高功率脉冲磁控溅射提供了硬件条件和参考.     

用脉冲电源溅射ZnO薄膜时脉冲及工艺条件对靶电压的影响

用磁控溅射法制备ZnO∶Al透明导电膜时,降低靶电压可以减少溅射等离子体中被靶背反射回的中性离子和负氧离子对基片的轰击,提高薄膜的质量,降低薄膜电阻。本文研究了用中频脉冲直流溅射法和Zn∶Al合金靶反应溅射制备ZnO∶Al透明导电膜时,脉冲参数,如脉冲频率、反向脉冲幅度、反向脉冲时间、功率、氧氩比、溅射气压等工艺条件对靶电压的影响。结果表明,延长反向脉冲时间是降低靶电压的最有效方法。当反向时间由2μs增加到10μs时,靶电压降低了60%以上。     

射频空心阴极放电中电子加热机制的实验研究

在氩气环境下对射频驱动下空心阴极的放电特性进行了实验研究,得到了不同工作条件下射频空心阴极放电中的电子密度、电子能量几率分布函数等结果。研究结果表明,相比于平板电极容性耦合射频放电,空心结构电极的射频放电能获得更高的电子密度。在形成空心阴极效应后,等离子体密度随电压、气压的升高而增大。通过EEPF进一步分析了射频空心阴极放电电子加热机制随p D值、工作电压的变化。发现当p D增加时,射频空心阴极放电中电子加热机制从以振荡鞘层对高能电子的随机加热为主逐渐转变为对等离子体中电子的欧姆加热为主;当逐渐提升电压时,电子本身获得能量机制则由开始的欧姆加热转到了向后来的随机加热。     

高压脉冲电晕放电氮等离子体的分子束质谱诊断研究

克服强电磁场干扰 ,以具有三级差分抽气系统的分子束质谱为手段 ,对线板式高压脉冲电晕放电N2 等离子体阴极板区的正离子成分进行了首次诊断研究。发现在各种实验条件下 ,N 离子流强度均显著大于N 2 ;N 及N 2 离子流强度随放电电压、放电频率升高而增大 ,随放电室气压变化则存在一极值。对N2 等离子体中所包含的主要基元物理 化学过程进行了讨论