高功率脈沖磁控濺射試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)及放電特性研究

2012-11-27 王洪國核工業(yè)西南物理研究院

　　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 的放電特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：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數(shù)量級，金屬離子離化率可達(dá)70%以上[1]，脈沖電流能達(dá)到幾個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 的放電特性進(jìn)行了研究，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)在一個高120 cm，直徑100 cm 的圓柱形真空室中進(jìn)行，安裝了一個直徑為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結(jié)構(gòu)所決定的。提高靶材利用率的關(guān)鍵是調(diào)整磁場結(jié)構(gòu)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)。

　　為了使靶和水冷盒緊密接觸，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，以避免磁鋼退磁。本文采用Ansys 通用有限元計(jì)算軟件對磁場進(jìn)行了分析。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- 3 Pa，使用高純Ar(99.999%)作為濺射氣體。工作氣壓為0.3 Pa~2.5 Pa。脈沖電源為自制，峰值電壓為- 500 V~- 1500 V，電流為10 A~200 A，脈寬30 μs~150μs，頻率為10 Hz~400 Hz。工作氣壓選取0.4 、0.6、0.8 共3 個點(diǎn);電壓固定為700 V，800 V，1000 V，1200 V，1400 V 共5 個點(diǎn)，脈沖寬度為100 μs。頻率為50 Hz。分壓電阻和0.1Ω 精密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(北京普源示波器DS5022ME)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2、放電特性

2.1、典型波形

　　放電峰值電壓為1000 V，脈沖寬度為100 μs，氣壓為0.5 Pa，放電電壓電流圖4 所示，在電壓加到靶上8 μs 之后，電流開始增長，在點(diǎn)火之后20 μs 達(dá)到峰值，在脈沖關(guān)斷之后，電流迅速下降，在5 μs 之后電流下降到0。放電時(shí)產(chǎn)生藍(lán)色光芒，表明靶材金屬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1000 V 峰值電壓下，不同氣壓的放電氣壓電流的形狀。氣壓分別為0.4 Pa、0.6 Pa、0 . 8 Pa。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0.4 Pa 氣壓下，不同電壓峰值的放電電壓電流的形狀。電壓分別為800 V、1000 V、1200 V，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，寬度變寬。