高功率脈沖磁控濺射試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)及放電特性分析

高功率脈沖磁控濺射試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)及放電特性分析高功率脈沖磁控濺射(HPPMS)因其高離化率而得到廣泛關(guān)注，是目前的熱點(diǎn)研究方向，為此我們搭建了試驗(yàn)平臺并對HPPMS的放電特性開展了研究。結(jié)果說明：脈沖峰值電流隨脈沖電壓的增加而增加，隨著氣壓的增加而增加。本文為進(jìn)一步研究高功率脈沖磁控濺射提供了硬件條件和參考。

近年來發(fā)展的高功率脈沖磁控濺射(HPPMS)技術(shù)，它的峰值功率可以比普通磁控濺射高兩個(gè)數(shù)量級，金屬離子離化率可達(dá)70%以上[1]，脈沖電流能到達(dá)幾個(gè)A/cm2以上，某種程度上，高功率脈沖磁控濺射集中了直流濺射和電弧的優(yōu)點(diǎn)。高功率脈沖磁控放電的電流密度、電離率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的直流磁控技術(shù)，許多復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象目前仍然無法解釋清楚，為此，我們搭建了試驗(yàn)平臺并對HPPMS的放電特性開展了研究，測量了氣壓、峰值電壓對電壓、電流波形的影響，為進(jìn)一步研究高功率脈沖磁控濺射提供了硬件條件和參考。

1、試驗(yàn)平臺搭建及實(shí)驗(yàn)過程

1.1、試驗(yàn)平臺的搭建

試驗(yàn)在一個(gè)高120cm，直徑100cm的圓柱形真空室中開展，安裝了一個(gè)直徑為5cm的圓形平面磁控靶。磁控濺射靶的磁鋼放置于靶材的后面,穿過靶材表面的磁力線在靶材表面形成磁場。其中平行于靶面的磁場B和垂直靶表面的電場E,形成平行于靶面的漂移場E×B。漂移場E×B對電子具有捕集阱的作用,從而增加了靶面這一區(qū)域的電子密度,提高了電子與中性氣體分子的碰撞幾率,強(qiáng)化了濺射氣體的離化率,從而增加了濺射速率。磁控濺射靶跑道的形狀是由靶材后面的磁場構(gòu)造所決定的。提高靶材利用率的關(guān)鍵是調(diào)整磁場構(gòu)造和磁場強(qiáng)度,使等離子體存在于更大的靶面范圍,實(shí)現(xiàn)靶面的均勻?yàn)R射，這樣就要求磁場B在更寬的范圍內(nèi)一致，對于通常的平面圓形磁控濺射靶,磁鋼排列如圖1所示(里外磁鋼極性相反,即SN或NS)。

為了使靶和水冷盒嚴(yán)密接觸，靶和水冷盒之間夾了一層石墨紙。石墨紙上加工與磁鋼直徑相同的孔，以防止磁鋼退磁。本文采用Ansys通用有限元計(jì)算軟件對磁場開展了分析。通過計(jì)算分析靶面總的磁通量密度BSUM及其水平分量BX和豎直分量BZ與靶面水平坐標(biāo)的關(guān)系如圖2所示。由在靶面處磁通密度的水平分量BX的圖形可知,其陡峭程度比較小,而且頂部B一致區(qū)域較大。靶面實(shí)際刻蝕圖如圖3所示。

1.2、試驗(yàn)過程

靶材為Ti(純度高于99.99%)。本底真空為3×10-3Pa，使用高純Ar(99.999%)作為濺射氣體。工作氣壓為0.3Pa~2.5Pa。脈沖電源為自制，峰值電壓為-500V~-1500V，電流為10A~200A，脈寬30μs~150μs，頻率為10Hz~400Hz。工作氣壓選取0.4、0.6、0.8共3個(gè)點(diǎn);電壓固定為700V，800V，1000V，1200V，1400V共5個(gè)點(diǎn)，脈沖寬度為100μs。頻率為50Hz。分壓電阻和0.1Ω精細(xì)電阻分別測量脈沖放電電壓V、電流波形I;放電數(shù)據(jù)輸入數(shù)字示波器(**普源示波器DS5022ME)，然后開展數(shù)據(jù)處理。

2、放電特性

2.1、典型波形

放電峰值電壓為1000V，脈沖寬度為100μs，氣壓為0.5Pa，放電電壓電流圖4所示，在電壓加到靶上8μs之后，電流開始增長，在點(diǎn)火之后20μs到達(dá)峰值，在脈沖關(guān)斷之后，電流迅速下降，在5μs之后電流下降到0。放電時(shí)產(chǎn)生藍(lán)色光芒，說明靶材金屬Ti發(fā)生電離，大部分為金屬等離子體，金屬離化率較高。

可以明顯看出，在點(diǎn)火成功之后電壓迅速下降到直流磁控的電壓水平。電流波形分為兩個(gè)階段。第一階段，脈沖電流波形中脈沖剛開始時(shí)產(chǎn)生的呈尖峰狀的電流波形，這一階段和氣壓有關(guān)，說明第一階段是處于氣體電離階段;第二階段取決于靶材和功率，這期間，金屬離子逐漸取代氣體離子在電流中占多數(shù)，尤其是在靶材料發(fā)生自濺射時(shí)，電流主要由金屬離子產(chǎn)生。在脈沖關(guān)斷之后，電感儲能的釋放導(dǎo)致電流有一個(gè)反沖，此電流對HPPMS沒有影響。

2.2、氣壓對放電電壓、電流波形的影響

圖5是1000V峰值電壓下，不同氣壓的放電氣壓電流的形狀。氣壓分別為0.4Pa、0.6Pa、0.8Pa。結(jié)果顯示，可以看出，隨氣壓的升高，輸出電流峰值增加，點(diǎn)火時(shí)間變短，電流寬度變寬。

2.3、脈沖峰值電壓對放電電壓、電流波形的影響

圖6是0.4Pa氣壓下，不同電壓峰值的放電電壓電流的形狀。電壓分別為800V、1000V、1200V，結(jié)果顯示，隨電壓的升高，輸出電流峰值急劇增加，寬度變寬。這是因?yàn)殡S電壓的增加，擊穿點(diǎn)火容易。脈沖電壓越高，離化百分比越高，離子量呈幾何增加，所以電流增加，寬度變