基于等离子体在磁控溅射增强的模拟

磁控溅射为代表的真空法已经成为制备薄膜的主流方法,磁场分布、等离子体密度分布及其温度等因素会直接影响到薄膜的质量。因此,选择合适的模型研究磁控溅射过程中气体放电时等离子体粒子以及电子分布非常重要。本文根据气体放电的基本原理,对圆柱形溅射装置采用流体模型,以电子、离子、亚稳态离子和中性粒子为主要粒子的等离子体建立物理模型,采用有限差分方法对所建立的模型,利用计算机编程数值模拟了直流溅射系统内气体放电的过程得到等离子体粒子的分布以及电子温度分布特性的模拟结果。     

不同流速对LTE态下氢等离子体特性的研究

采用二维流体力学模型研究了多级直流弧放电装置中流速对处于局部热平衡状态下氢等离子体特性的影响.分析了氢等离子体中心轴线处电场和压强的分布情况;各粒子密度在通道中的分布状态;通道出口处等离子体温度以及电导率的分布情况.模拟结果表明,随着流速的增大,中心轴线处电场和压强均增大;通道中氢等离子体的各粒子密度变化很小;通道出口处等离子体温度以及电导率在出口处沿径向的分布影响不大.     

直流辉光和磁控增强放电等离子体的空间分辨发射光谱技术

光学发射光谱(OES)方法是等离子体诊断的有力工具之一,可以定量地给出等离子体的多种重要参数,如等离子体中的物种成分、粒子能态分布、激发温度、粒子相对密度等.本文介绍了一种用于电子回旋共振(ECR)微波等离子体磁控溅射靶附近的增强放电和直流辉光放电等离子体空间分辨诊断的发射光谱装置.其特点是光学收集系统的位置可以水平精细移动,因而可以对放电区域进行空间分辨发射光谱测量.作者利用这套装置对氩气的ECR微波等离子体和直流辉光放电等离子体进行诊断.在ECR微波等离子体的下游区内氩离子谱线的发射强度很弱,主要是高激发态原子的辐射.在磁共振增强放电区,离子谱线强度有所增加但仍比原子谱线弱,类似于直流辉光放电正柱区的光发射特性.     

纵向磁场对直流真空电弧等离子体发展进程的影响研究

从微观角度出发,数值模拟直流真空电弧燃弧初期电弧的发展进程,研究纵向磁场对电弧等离子体参数输运特性的影响。建立电弧等离子体流体-化学混合模型,仿真研究纵向磁场作用下的电弧运动特性。数值模拟电弧等离子体中粒子输运特性,以得到电弧等离子体参数随磁场变化规律。仿真结果表明:纵向磁场分布对直流真空电弧放电初期粒子的数密度与温度等参数的作用,直接影响电弧的发生与发展。研究并分析了直流真空电弧燃弧初期的过程。     

溅射沉积氢化非晶硅中辉光放电等离子体的Langmuir探针诊断

为揭示磁控溅射辉光放电等离子体参量对Si薄膜沉积过程的本质影响,采用Langmuir探针于不同的靶电流、靶基距和氢分压条件下对直流辉光放电等离子体进行了诊断,分析了直流辉光放电等离子体参量(离子密度、离子流通量、等离子体电势、电子密度、电子温度)的变化规律,并以此为依据探讨了其对Si靶溅射过程和溅射Si粒子输运过程的影...     

基于FLUENT软件直流电弧等离子体喷射法等离子体放电特征二维数值模拟

直流电弧等离子体喷射法制备金刚石膜的过程中氩气主要起维持电弧放电作用,在一定程度上保证电弧放电的稳定性。本文利用自定义标量和自定义函数技术对FLUENT软件进行二次开发,在动量和能量守恒方程中添加相应电磁源项。对纯氩直流电弧等离子放电特征进行二维数值模拟,并经过实验验证后最终得到等离子体放电区域的温度、焦耳热、电流密度和速度等分布。模拟结果表明气压为1000 Pa工作电流为100 A条件下:氩等离子体最高温度和最大速度达到11000K和340 m/s,且均出现在阴极尖端位置附近;较强的外侧气流使阳极斑点稳定维持在阳极内侧下边缘位置,其附近等离子体温度在9000 K左右;基体表面附近等离子体温度受到焦耳热分布和阴极高温射流共同作用,维持在3000~4000 K。     

一种人体可接触的大气压He等离子体射流研究

大气压低温等离子体医学应用需要设计人体可安全接触的低温等离子体源。本文设计了一种环环电极结构的大气压低温等离子射流装置,通过合理地设计其绝缘结构和选择运行条件,在He中产生了人体可接触的大气压低温等离子体射流。通过发光图像拍摄、光谱分析以及电气特性测量等手段,诊断所设计装置的特性;通过人体实际接触实验,证实了其安全性,并通过建立装置的等效电气模型对其人体接触安全性进行理论分析。结果表明,本文设计射流的放电具有稳定、安全、低功率的特点,其放电电流峰值不超过7 m A,放电功率小于1.5 W,最大传输电荷约为100 n C,产生的粒子包含大量OH与O等高能活性粒子。电源电压为4 k V时,人体上电压降约为35 V,小于人体安全电压。     

磁控溅射中等离子体电离机制的数值解析

以圆柱形磁控溅射装置为研究对象,下极板外接通电线圈使之产生的磁场,并在上、下极板间施加直流电场,研究电磁场作用下等离子体中电子、离子、中性粒子和亚稳态离子分布。研究以Fortran语言自主编程,对所建立的模型用有限差分方法数值模拟。研究表明:辉光放电起始,电离项为等离子体中离子的主要来源;随着辉光放电趋于平衡,由一次电离、激发态二次电离等组成的累积电离项成为等离子体中离子的主体。达到稳定电离后,电子受磁场约束集中分布于下极板附近,从而使被电离的离子也集中分布于下极板附近。在距下极板15~40 cm区间内,离子分布较均匀。     

EAST装置等离子体放电排气及其成分分析

在磁约束聚变装置中,高温等离子体放电中粒子的实时排出不仅可以减少燃料粒子在第一壁的滞留,还可以排出一定的杂质,有利于下一次等离子体放电的实现。对于未来聚变装置,如ITER,还有利于减少氚滞留导致的装置安全问题。本文根据EAST全超导托卡马克装置不同等离子体放电参数和不同第一壁条件下的放电实验,主要研究了等离子体破裂和锂化壁处理对粒子排出的影响。初步研究表明,等离子体破裂导致更多的粒子排出,并且排出气体中杂质含量降低;而锂化壁处理可以减少粒子排出,但杂质含量增高。这些研究可以为未来高参数等离子体运行找到一种实时降低壁杂质及减少壁滞留的方法提供参考,也对研究等离子体参数对等离子体排灰气成分分析有着参考价值。     

新型槽形彩色等离子体显示板放电单元结构对放电特性影响的研究

采用二维数值模拟方法，对新型槽形彩色等离子体平板显示器放电单元的结构形状进行了设计。研究了在不同形状结构情况下，该新型槽形彩色等离子体平板显示器放电单元的放电特性以及相关性质。分析给出了不同放电单元形状结构情况下，各种粒子平均浓度随时间的变化情况，设计了一个较好的放电单元结构，还讨论了金属隔断的高度和宽度的变化对该结构整屏放电均匀性的影响。     

偏心旋转移动平面磁控溅射在ITO玻璃生产中的应用与探讨

直流平面磁控溅射法是生产ITO玻璃最常用的工艺,但是常规的固定磁控方法只有20%～25%的靶材利用率.为了尽可能提高靶材利用率,我们在原来的固定磁场基础上进行了偏心轴旋转的平面磁场改造,改造后的靶材利用率达到了60%～70%,经过两年多的运行,证明改造是相当成功的.本文阐述了偏心旋转移动平面磁控的具体方法及应该注意的几个问题.     

圆平面磁控溅射靶磁场的ANSYS模拟分析

磁控溅射靶面磁感应强度的水平分布直接关系到靶材的利用率和刻蚀的均匀性.为了寻求更好的磁控靶结构参数,从而实现靶而水平磁感应强度的均匀分布,作者应用ANSYS软件对SD500型磁控溅射镀膜机的圆平面靶表面磁感应强度进行模拟,应用SHT-V型特斯拉计通过同心十字线法对实物靶表面磁感应强度进行测试,将模拟结果与测量结果进行比较,证明其模拟的准确性.进而对圆平面磁控靶的结构参数进行优化设计,得出靶与磁钢间距为3 mm、磁钢高度为15 mm、内磁柱半径为4 mm、内磁柱高度为14 mm时靶面水平磁感应强度最强、分布最均匀.在工程应用中,设计人员可以预先对靶的参数进行优化设计,使设计的磁控溅射靶更好的满足生产和科学研究的需要.     

Novel coatings for unique applications

In the present article three different coatings systems are discussed based on reactive and non-reactive sputtering processes utilizing HiPIMS, pulsed DC and DC magnetron sputtering. The HiPIMS platform was used to develop a very hard TiB₂ coating with a low residual stress level. Pulsed DC magnetron sputtering was used to deposit 50 μm thick amorphous Al₂O₃ coating. Finally DC magnetron sputtering was used to deposit a Sr-Ti-O coating capable of releasing Sr facilitating accelerated bone formation and implant ingrowth.     

能量过滤磁控溅射技术制备ITO薄膜及其特性研究

采用磁控溅射(DMS)和能量过滤磁控溅射(EFDMS)技术在玻璃衬底上制备ITO透明导电薄膜。利用扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射、紫外-可见分光光度计、四探针电阻仪、椭偏光谱仪等对薄膜的性能进行表征和分析,初步探讨了EFDMS技术的成膜机理。研究发现与DMS技术相比,EFDMS技术可有效降低薄膜的表面粗糙度,并且薄膜光电性能有一定改善。     

Annealing dependence of residual stress and optical properties of TiO2 thin film deposited by different deposition methods

Titanium oxide (TiO(2)) thin films were prepared by different deposition methods. The methods were E-gun evaporation with ion-assisted deposition (IAD), radio-frequency (RF) ion-beam sputtering, and direct current (DC) magnetron sputtering. Residual stress was released after annealing the films deposited by RF ion-beam or DC magnetron sputtering but not evaporation, and the extinction coefficient varied significantly. The surface roughness of the evaporated films exceeded that of both sputtered films. At the annealing temperature of 300 degrees C, anatase crystallization occurred in evaporated film but not in the RF ion-beam or DC magnetron-sputtered films. TiO(2) films deposited by sputtering were generally more stable during annealing than those deposited by evaporation.     

Influence of thermal annealing on electrical and optical properties of Ga-doped ZnO thin films

Influence of thermal annealing on electrical properties of GZO films has been studied by means of Hall effect measurements and optical characterization based on Drude model analysis for transmission and reflection spectra. Electrical resistivity increased with increasing annealing temperature. Changes of electrical properties were compared between air and N₂ gas atmosphere. Thermal stability in the air was worse compared to the N₂ gas atmosphere. Annealing at rather high temperature caused decrease in the Hall mobility and increase in optical mobility. The difference between the Hall mobility and the optical mobility was attributed to carrier scattering at grain boundaries. Three kinds of deposition method, ion plating using DC arc discharge, DC magnetron sputtering, and RF power superimposed DC magnetron sputtering were compared in terms of the thermal stability.     

磁控溅射制备硅铝阻隔膜的研究

采用磁控溅射技术以10%Si～90%Al合金为靶材,通入O2将Si氧化成SiO2,Al氧化成Al2O3,在普通PET薄膜表面制备具有高阻隔性无机阻隔薄膜层,以增加其阻隔性.传统的磁控溅射法制备SiO2膜工艺,大多采用射频溅射法,但其成本较高,效率较低,无法充分满足大面积工业化镀膜生产的需要.而采用10%Si～90%Al合金不仅可以实现直流溅射工艺,而且测量结果表明,薄膜的阻隔性得到大幅度提高.     

The preparation of permalloy 80/20 thin films using a pulsed DC discharge in a hollow cathode

Permalloy thin films have many applications as sensors and actuators but the preparation of magnetic films by magnetron sputtering is problematic since the target material reduces or changes the magnetic configuration of the magnetron. Hollow cathode discharges can produce similar or greater plasma densities to that found in magnetron sputtering and can therefore be operated over a similar pressure range. Pulsed DC sputtering has been seen to have some advantages compared to DC or RF sputtering. In this paper we report the use of a combination of pulsed DC sputtering with a hollow cathode system to prepare thin films of Permalloy. The deposition rate was found to strongly depend on the gas flow used to prepare the thin films. Combinations of the experimental conditions were found to produce films with a (111) preferential crystal orientation and that the grain size of the crystals was mainly determined by the deposition rate. Furthermore, changes in the degree of ion bombardment did not appear to have any significant affect on the structure of the deposit.     

Observations on the operation of a planar magnetron sputtering system by target erosion patterns

The discharge characteristics in a planar magnetron sputtering system was studied by means of the target erosion pattern. The erosion pattern was affected not only by the magnetic flux distribution but also by the discharge power and the sputtering gas pressure. A model analysis revealed that this behaviour was due to interaction between the vertical component of the field and electrons moving in a sideways direction. It was found from its definite correlation with the pattern that the transition in the discharge characteristic from a magnetron mode to a high impedance mode was brought about by the escape of trapped electrons from the target edge.     

钢基耐磨SiC薄膜制备研究

用磁控溅射的方法在40Cr钢的表面制得了SiC薄膜.通过X射线衍射、傅里叶红外光谱分析、摩擦磨损以及划痕试验研究了工艺参数、溅射方式对薄膜性能的影响.结果表明:室温下,用磁控溅射法制备的SiC薄膜具有非晶态结构;傅立叶红外光谱证实了薄膜中除了Si-C键的存在外还有大量的Si-Si键;在相同的工艺参数下用射频溅射法制备的薄膜表面更为光滑致密,与基体结合更好;采用射频溅射法,在功率200W,时间为2h,工作气压为0.1Pa条件下制备的SiC薄膜性能最佳.