基于物理仿真的高功率脉冲磁控溅射的优化与放电解析
发布时间：2021-08-30 06:20
高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）是在磁控靶上施加低占空比的高功率脉冲以产生高能量、高密度等离子体的一种新型磁控溅射技术。该技术具有较高的溅射材料离化率,其制备的薄膜可产生高致密度、高结合力以及高综合力学性能。然而HiPIMS存在沉积速率低、放电不稳定、溅射材料离化率不一等缺陷,严重阻碍了其在工业界的推广和应用。本工作从基本物理原理入手,借鉴空心阴极原理,提出筒内放电的空心阴极效应强化的新型阴极结构,采用粒子网格/蒙特卡洛方法验证了空心阴极强化效应;为提高沉积效率,提出等离子体束流的电磁控制方案,建立了等离子体输运特性仿真模型并发现电磁控制可以有效减少等离子体损耗,控制涂层组分,提高沉积速率;建立了空心阴极效应耦合的时间分辨整体模型,实现了对N2/Ar/Cr复杂体系下HiPIMS放电过程解析,发现了不同放电粒子的异步放电现象及其对演化曲线的作用形式。为了验证仿真模型的准确性,使用纳秒精度的时间分辨光谱仪对HiPIMS体系中多种典型离子进行追踪,得到的实验结果与仿真结果吻合。具体结论如下:1.空心阴极的引入可以增强放电效果,使HiPIMS放电过程强烈且稳定,等离子体...
【文章来源】：北京大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
传统磁控溅射的原理示意图[4]
2过程中可维持较低的平均功率防止磁控阴极由于温度过高而融化[8]。典型的HiPIMS一个脉冲中的放电电压及电流的曲线如图1.2所示[8]，在施加放电电压后，气体需要一定的时间才能被击穿产生等离子体，因此电流激发的时间相对放电压激发的时间有滞后约50μs。与常规的磁控溅射技术相比，HiPIMS技术拥有更宽的工艺窗口，因为除了控制放电电压和峰值功率密度等传统参数外，该技术还可以控制由放电脉冲引入的诸如占空比、脉冲宽度、脉冲频率、脉冲波形等其他工艺参数，大大提高了工艺可控性[9,10]。在HiPIMS技术放电过程中，其峰值功率密度最高可达到10kW/cm2，因此该技术的溅射材料离化率最高可达到90%[11,12]。图1.2典型的HiPIMS一个脉冲内的放电电压及电流曲线[5]溅射材料的原子被电离后，由于受到带负电位的靶材的吸引，部分溅射材料离子会返回并轰击靶面发生自溅射。在极端的条件下，如式1.1所示，溅射材料离子的自溅射过程足以维持等离子体的放电反应，Anders等[13]将其定义为自持自溅射。Π=αβγ=1(1.1)其中П为自溅射系数，α为溅射材料离化率，β为溅射材料离子返回靶面发生溅射的概率（离子返回概率），γ为材料溅射率（由材料的种类和溅射离子的能量决定）。对HiPIMS技术来说，其溅射材料离化率和离子返回概率[14]比普通的磁控溅射技术高，同时HiPIMS技术产生的高能离子提高了材料的溅射率，因此对于同种材料而言，HiPIMS更容易达到自持自溅射的条件。通常情况下，α和β的值均小于1，因此需要达到自持自溅射的条件就必须要求γ大于1，利用HiPIMS技术可对溅射率较高的材料（例如Cu）实现自持自溅射[8,15]。HiPIMS自溅射原理示意图[16]如图1.3所示，透过该图可解释HiPIMS放电的基本原理。图中左右两端分别为溅射材料?
3由于工作气体的参与，在HiPIMS放电达到稳态之前，存在自溅射系数П大于1的过渡阶段，此时溅射材料的粒子密度迅速上升，对应着HiPIMS电流的上升阶段。随着放电的进行，由于电子被溅射材料的原子冷却，电离碰撞概率减小，溅射材料离化率α逐渐降低；溅射材料离子由于浓度迅速上升而溢出放电区域，并沉积到基片上，导致离子返回概率β逐渐降低，因此自溅射系数П逐渐减小并使HiPIMS放电趋于稳定。图1.3HiPIMS放电自溅射原理示意图[16]1.1.2HiPIMS的应用在传统的磁控溅射的结构形貌示意图[17]的基础上，Anders[18]对原有模型进行了修正并将其扩展到能够在高能量离子沉积的条件下适用，发现HiPIMS薄膜形貌的变化范围较广，并可以此推测HiPIMS的薄膜形貌与工艺参数的关系，如图1.4所示。由于HiPIMS技术的溅射材料粒子具有高离化率和高离子能量，该技术制备的薄膜往往具有致密度高[19]，结合力大[20]和综合性能好[21-23]等特性。此外，HiPIMS技术制备对工件的适应性较好，尤其是在对表面结构复杂的工件进行表面处理时，这是因为HiPIMS放电产生的溅射材料粒子具有优秀的绕射性[24]，在涂层制备过程中可通过增加外加电磁场和基片偏压对等离子体束流中沉积离子的能量和角度进行调控，实现涂层的均匀沉积[24-27]，同时实现对其结构和性能的优化控制[22,23]。因此HiPIMS技术在民用和军工领域都有广泛的应用[28]，特别是该技术制备的涂层具有的高致密度和高结合力的特点，使其在有关耐腐蚀和耐磨损的表面改性领域被迅速推广[29]。此外，由于HiPIMS放电的工艺条件处于异常辉光区域[30]，介于正常辉光放电和弧光放电之间，如图1.5所示，因此HiPIMS技术兼备传统磁控溅射技术和阴极弧离子镀技术的优点[31,32]，一度被业内认为是最
【参考文献】：
期刊论文
[1]筒内高功率脉冲磁控放电的电磁控制与优化[J]. 崔岁寒,吴忠振,肖舒,刘亮亮,郑博聪,林海,傅劲裕,田修波,朱剑豪,谭文长,潘锋. 物理学报. 2017(09)
[2]筒形高功率脉冲磁控溅射源的开发与放电特性[J]. 肖舒,吴忠振,崔岁寒,刘亮亮,郑博聪,林海,傅劲裕,田修波,潘锋,朱剑豪. 物理学报. 2016(18)
[3]Influence of Substrate Negative Bias on Structure and Properties of TiN Coatings Prepared by Hybrid HIPIMS Method[J]. Zhenyu Wang,Dong Zhang,Peiling Ke,Xincai Liu,Aiying Wang. Journal of Materials Science & Technology. 2015(01)
[4]不同靶材料的高功率脉冲磁控溅射放电行为[J]. 吴忠振,田修波,潘锋,付劲裕,朱剑豪. 金属学报. 2014(10)
[5]可调脉冲功率（MPP）磁控溅射电源研制及放电特性的研究[J]. 魏松,田修波,巩春志. 真空. 2013(03)
[6]磁控溅射技术及其发展[J]. 李芬,朱颖,李刘合,卢求元,朱剑豪. 真空电子技术. 2011(03)
[7]空心阴极直流放电的二维自洽模型描述和阴极溅射分析[J]. 赖建军,余建华,黄建军,王新兵,丘军林. 物理学报. 2001(08)
博士论文
[1]脉冲等离子体工艺中等离子体与表面相互作用数值研究[D]. 郑博聪.大连理工大学 2016
硕士论文
[1]高功率复合脉冲磁控溅射放电特性及氮化物薄膜制备[D]. 段伟赞.哈尔滨工业大学 2010
[2]直流辉光放电电离特性的PIC/MCC模拟[D]. 宫文英.电子科技大学 2009
[3]PIC/MCC模拟直流平面磁控溅射[D]. 赵华玉.大连理工大学 2008
本文编号：3372238
【文章来源】：北京大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
传统磁控溅射的原理示意图[4]
2过程中可维持较低的平均功率防止磁控阴极由于温度过高而融化[8]。典型的HiPIMS一个脉冲中的放电电压及电流的曲线如图1.2所示[8]，在施加放电电压后，气体需要一定的时间才能被击穿产生等离子体，因此电流激发的时间相对放电压激发的时间有滞后约50μs。与常规的磁控溅射技术相比，HiPIMS技术拥有更宽的工艺窗口，因为除了控制放电电压和峰值功率密度等传统参数外，该技术还可以控制由放电脉冲引入的诸如占空比、脉冲宽度、脉冲频率、脉冲波形等其他工艺参数，大大提高了工艺可控性[9,10]。在HiPIMS技术放电过程中，其峰值功率密度最高可达到10kW/cm2，因此该技术的溅射材料离化率最高可达到90%[11,12]。图1.2典型的HiPIMS一个脉冲内的放电电压及电流曲线[5]溅射材料的原子被电离后，由于受到带负电位的靶材的吸引，部分溅射材料离子会返回并轰击靶面发生自溅射。在极端的条件下，如式1.1所示，溅射材料离子的自溅射过程足以维持等离子体的放电反应，Anders等[13]将其定义为自持自溅射。Π=αβγ=1(1.1)其中П为自溅射系数，α为溅射材料离化率，β为溅射材料离子返回靶面发生溅射的概率（离子返回概率），γ为材料溅射率（由材料的种类和溅射离子的能量决定）。对HiPIMS技术来说，其溅射材料离化率和离子返回概率[14]比普通的磁控溅射技术高，同时HiPIMS技术产生的高能离子提高了材料的溅射率，因此对于同种材料而言，HiPIMS更容易达到自持自溅射的条件。通常情况下，α和β的值均小于1，因此需要达到自持自溅射的条件就必须要求γ大于1，利用HiPIMS技术可对溅射率较高的材料（例如Cu）实现自持自溅射[8,15]。HiPIMS自溅射原理示意图[16]如图1.3所示，透过该图可解释HiPIMS放电的基本原理。图中左右两端分别为溅射材料?
3由于工作气体的参与，在HiPIMS放电达到稳态之前，存在自溅射系数П大于1的过渡阶段，此时溅射材料的粒子密度迅速上升，对应着HiPIMS电流的上升阶段。随着放电的进行，由于电子被溅射材料的原子冷却，电离碰撞概率减小，溅射材料离化率α逐渐降低；溅射材料离子由于浓度迅速上升而溢出放电区域，并沉积到基片上，导致离子返回概率β逐渐降低，因此自溅射系数П逐渐减小并使HiPIMS放电趋于稳定。图1.3HiPIMS放电自溅射原理示意图[16]1.1.2HiPIMS的应用在传统的磁控溅射的结构形貌示意图[17]的基础上，Anders[18]对原有模型进行了修正并将其扩展到能够在高能量离子沉积的条件下适用，发现HiPIMS薄膜形貌的变化范围较广，并可以此推测HiPIMS的薄膜形貌与工艺参数的关系，如图1.4所示。由于HiPIMS技术的溅射材料粒子具有高离化率和高离子能量，该技术制备的薄膜往往具有致密度高[19]，结合力大[20]和综合性能好[21-23]等特性。此外，HiPIMS技术制备对工件的适应性较好，尤其是在对表面结构复杂的工件进行表面处理时，这是因为HiPIMS放电产生的溅射材料粒子具有优秀的绕射性[24]，在涂层制备过程中可通过增加外加电磁场和基片偏压对等离子体束流中沉积离子的能量和角度进行调控，实现涂层的均匀沉积[24-27]，同时实现对其结构和性能的优化控制[22,23]。因此HiPIMS技术在民用和军工领域都有广泛的应用[28]，特别是该技术制备的涂层具有的高致密度和高结合力的特点，使其在有关耐腐蚀和耐磨损的表面改性领域被迅速推广[29]。此外，由于HiPIMS放电的工艺条件处于异常辉光区域[30]，介于正常辉光放电和弧光放电之间，如图1.5所示，因此HiPIMS技术兼备传统磁控溅射技术和阴极弧离子镀技术的优点[31,32]，一度被业内认为是最
【参考文献】：
期刊论文
[1]筒内高功率脉冲磁控放电的电磁控制与优化[J]. 崔岁寒,吴忠振,肖舒,刘亮亮,郑博聪,林海,傅劲裕,田修波,朱剑豪,谭文长,潘锋. 物理学报. 2017(09)
[2]筒形高功率脉冲磁控溅射源的开发与放电特性[J]. 肖舒,吴忠振,崔岁寒,刘亮亮,郑博聪,林海,傅劲裕,田修波,潘锋,朱剑豪. 物理学报. 2016(18)
[3]Influence of Substrate Negative Bias on Structure and Properties of TiN Coatings Prepared by Hybrid HIPIMS Method[J]. Zhenyu Wang,Dong Zhang,Peiling Ke,Xincai Liu,Aiying Wang. Journal of Materials Science & Technology. 2015(01)
[4]不同靶材料的高功率脉冲磁控溅射放电行为[J]. 吴忠振,田修波,潘锋,付劲裕,朱剑豪. 金属学报. 2014(10)
[5]可调脉冲功率（MPP）磁控溅射电源研制及放电特性的研究[J]. 魏松,田修波,巩春志. 真空. 2013(03)
[6]磁控溅射技术及其发展[J]. 李芬,朱颖,李刘合,卢求元,朱剑豪. 真空电子技术. 2011(03)
[7]空心阴极直流放电的二维自洽模型描述和阴极溅射分析[J]. 赖建军,余建华,黄建军,王新兵,丘军林. 物理学报. 2001(08)
博士论文
[1]脉冲等离子体工艺中等离子体与表面相互作用数值研究[D]. 郑博聪.大连理工大学 2016
硕士论文
[1]高功率复合脉冲磁控溅射放电特性及氮化物薄膜制备[D]. 段伟赞.哈尔滨工业大学 2010
[2]直流辉光放电电离特性的PIC/MCC模拟[D]. 宫文英.电子科技大学 2009
[3]PIC/MCC模拟直流平面磁控溅射[D]. 赵华玉.大连理工大学 2008
本文编号：3372238
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