高功率脈沖磁控濺射鈦靶材的放電模型及等離子特性*

陳暢子 馬東林 李延濤 冷永祥?

1)(西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點實驗室,成都 610031)

2)(荊楚理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,荊門 448000)

等離子密度及金屬離化率是影響高功率脈沖磁控濺射沉積薄膜質(zhì)量的關(guān)鍵因素,高功率脈沖磁控濺射參數(shù)(如電壓、脈寬、沉積氣壓及峰值電流等)影響著等離子密度和金屬離化率.本文利用MATLAB/SIMULINK建立等效電路模型,對高功率脈沖磁控濺射鈦(Ti)靶材的放電電流曲線進(jìn)行模擬,利用鞘層電阻計算Ti 靶材鞘層處的等離子密度,并采用半圓柱體-整體模型理論計算Ti的離化率.研究發(fā)現(xiàn):采用由電容、電感和電阻組成的等效電路模型,可以模擬Ti 靶材的放電電流;在不同高功率脈沖濺射電壓、脈沖寬度和不同沉積氣壓下,真空室等離子密度在2 × 1017—9 × 1017 m–3 范圍內(nèi),隨著濺射電壓、脈沖寬度及沉積氣壓的增加,鞘層處的平均等離子密度增大;在不同沉積氣壓下,Ti的離化率值在31%—38%之間,隨著氣壓增加,Ti的離化率增加.

1 引 言

高功率脈沖磁控濺射技術(shù)(high power pulsed magnetron sputtering,HPPMS)因具備高的等離子密度和靶材原子離化率,正逐漸成為材料表面改性研究的熱點[1?3].通過改變高功率脈沖電壓、脈沖寬度、濺射沉積氣壓等工藝參數(shù),可以調(diào)控濺射靶材的等離子體密度及金屬離化率,獲得高致密度、等軸晶的薄膜[4,5].

利用朗繆爾探針可以測試等離子密度[6],濺射金屬離化率則主要通過等離子發(fā)射光譜法、質(zhì)譜儀檢測法等方法[6?8]進(jìn)行測試.但是,這些診斷方法存在一……