2000015469

第3()巷第4M 20f0年12月核聚变!‘锋离子体物pl!
N ucl ear Fus i on and Pl a s m a Physi cs
V o I．30．N‘’．4
D c c．2()10
文章编号：0254-6086(2010)04．．-0365-4)5
高功率脉冲非平衡磁控溅射放电特性和参数研究牟宗信，王春，贾莉，牟晓东，藏海荣，刘冰冰，董闯
(三柬材料改性教育部重点实验室．大连理工大学物理与光电工程学院，大连116024)
摘要：用线圈电流控制非平衡磁场，用汤森放电击穿形成深度自触发放电。

用磁阱捕获放电形成的二次电子和导致漂移电流，形成了高功率非平衡磁控溅射放电。

采用偏压为一IO O V相对磁控靶放髓的圆形平面电极收集饱和离子电流；在距离磁控靶14em的位置由Langm ui r探针测量浮置电位；示波器测量磁控靶的脉冲电压、电流、浮置电位和饱和离子电流信号。

装簧的放电脉冲功率达到O．9M W，脉冲频率最大值为40H z左右，空问电荷限制条件是控制电子电流和离子电流的主要机制。

关键词：磁控溅射；放电；脉冲技术
中图分类号：0539文献标识码：A
1引言
高脉冲功率磁控溅射(H P PU M S)能够形成高密度等离子体、高溅射粒子的离化率，是目前磁控溅射领域的热点研究方向【I-610H PPU M S的特征是脉冲放电功率达到M w量级，溅射粒子的离化率达到10％'--'70％，脉冲离子电流达到几个A cm～。

一般采用开关脉冲电源放电，用光谱分析、能谱分析和静电探针技术诊断高功率脉冲磁控溅射放电特性和等离子体特征。

由于磁控靶交叉场的三维结构和与等离子体作用非常复杂，目前这种技术仍然处于基础研究阶段¨“J。

高功率脉冲磁控溅射放电形成了高电离率、远离平衡的等离子体，放电的电流密度远远高于一般的直流磁控溅射技术，许多复杂的动力学现象目前仍然无法清楚地得到解释。

经过长期的研究，对于一般的直流磁控溅射放电的各种作用机理已经非常清楚。

直流磁控溅射属于反常辉光放电，理沦研究一般根据等离子体鞘层理论、流体理论等【9。

1510高功率脉冲磁控溅射放电的峰值功率远高于一般的直流或中频脉冲磁控溅射，溅射粒子离化率甚至可能达到70％，但是沉积速率较低，放电中高通量的电荷传输、出现的高能量离子和多价态离子等现象是以前在一般磁控溅射放电过程中没有出现的现象。

一般的H PPU M S放电采用了高功率脉冲开关电源。

由于其中的开关器件是形成脉冲的必要条件，开关器件性能限制了进一步提高放电参数。

本文采用直流电源自发形成H PPU M S的脉冲放电。

在非平衡的磁场作用下，“开”的过程是由电离不稳定性形成了高功率的脉冲放电脉冲电流峰值；“关”的过程是由于电源中电容储存的电量经深度放电后，磁控靶上的电压低于反常辉光放电的电压阈值导致放电结束，这样形成了深度的高功率脉冲放电过程。

放电系统中采用与磁控靶同轴的线圈形成非平衡磁控溅射。

同轴线圈能够控制电源与高脉冲功率放电的耦合频率，考虑了脉冲放电中的汤森放电机制及交叉场对放电过程的特殊作用，并分析了较高脉冲放电电流的形成原因。

2实验过程
非平衡磁控溅射系统由直流电源和非平衡磁控靶构成。

磁控靶的结构见文献l¨l，非平衡磁控靶是直径为10cm的圆形平面磁控溅射靶；磁控靶前设置一个空心阴极用以抑制电荷的发散效应，同时提高放电电流密度；同轴线幽的电流可以在0～8A
收稿日期：2010-03—12；修订日期：2010--09—29
基金项目：国家自然科学基金资助项I=l(50407015)；辽宁省教育厅资助科研项目
作者简介：牟宗信(1969一)，男．山东甘照人．副教授．从事低温等离子体应用研究。

怯聚，蕾‘j胃融r f忙物P|
之M i I毒i整．通过凋整线圈电流控制磁控靶的‘I F平衡
磁场。

磁控靶材料为纯铜(纯度高于99．8％)。

直流
电源电压范围是0～1600V。

真牢窄采用分子泵抽
到3×10．3Pa，采用气体质量流量汁调I了气体流量和
控制放电气压为O．1～5Pa，充入高纯A r(99．999％)
进行放电。

磁控靶和与之乎行的基片台之问的距离
约为18cm，采用与磁控靶相对放置直径为7cm的
圆形平面电极在基片处收集离子饱和电流，平面电
极材质为不锈钢，除收集电流的电极表面外其它位
置被屏蔽，测量离子电流，D时电极施加偏压为
一100V；分压电阻和0．I Q精密电阻分别测量脉冲放
电电压怕、电流的波形，d，放电气压为0．3Pa，频
率为l H z左右；测量伏安特性和放电电压随气压之
问变化关系等数据时的脉冲电流的采样电阻为
0．05f l；l Q精密电阻测量平面电极上的离子饱和电
流t p；Langm ui r探针被放置在距离磁控靶14cm的
位置，测量浮置电位Ⅵ，探针直径为0．3m m的w
丝，长度为3m m，放电数据输入数字示波器
(A ngi l ent示波器D S03202～200M H z／l G S．S叫)，然
后进行数据处理。

3结果和讨论
实验中H PPU M S脉冲放电频率主要通过控制
电源中电容的充电时间常数控制放电的频率，同时
放电的频率也会受到气压和线圈电流的影响。

通过
研究连续的脉冲放电波形分析，充电电压曲线近似
为U=U s(1一e-t／r)，其中u。

是峰值电压；放电的
特性是U=U。

(e-f／‘z)，砀、乏为待定的时问常数。

脉冲放电的频率随电源输入的平均功率的增加而
线性增加，调整线嘲电流同样能够控制放电的频
率，在不同的放电气压条件下。

放电频率随线圈电
流的变化是先增加到频率的峰值，然后随线圈电流
的增加而减小，实验发现最大的频率为40H z左右。

放电气压为0．3Pa时，H P PU M S脉冲放电电压、电
流、浮置电位和平面电极测量的饱和离子电流波形
如图l所示，可以看到放电的电压为700V左右，
放电的电流峰值超过4kA，脉冲的功率峰值约为
0．5M W，脉冲频率约为l H z左右。

放电的脉冲电流
峰值与电源的输出电阻近似为线性关系，当输出电
阻的数值降低到0．05Q时，放电电流达到8kA，脉
冲功率峰值达到0．9M W左右，远大于文献17'引报道葡3f)携
的放f1．f这}婴茫由于放电J U源中没仃歼天器件的限制．所以IU流的幅f I．【-r以大幅增)i l l；I叫f l'f从蚓l t I I能够看至Ⅱ，浮置电位的幅值达到50V左右，平面电极的饱和离子电流的峰值达到60A左右，所以饱和离子电流密度达到1．8A．c m～，远高于一般的直流非平衡磁控溅射系统的对应参数，对于沉积的材料的改性效果更JJl l硅著。

实验中发现尽管放电的峰值功率非常高，但是溅射率低于5nm．m i n～，这种效果与目前关于H PP U M S的应用报道一致，因此需要改进放电过程，提高其沉积速率。

1000
娄500
1000
≤500
薹o
O
图l H PPU M S放电电压和电流波形
K——放电lU压；，d——电流；¨一浮置电位；，——饱和离子电流脉冲波形；放电气压为0．3Pa。

如图l所示，尽管电压已经跌落到接近0V，但放电脉冲的余辉仍然持续了1．7m s。

实验中发现根据不同的放电条件，脉冲余辉持续的时间最大为10m s左右，这个时间已经大于放电电流脉冲持续的时间，其约为l m s。

形成连续脉冲放电要求放电的间隔大于等离子体余辉持续的时间。

当—个脉冲熄灭之后，电源中的电源开始充电，达到放电电压后形成下一次放电的脉冲。

放电电流随电压之间的变化关系如图2所示，固定线圈电流在5A，分别在0．3Pa、0．6Pa二种典型气压条件下进行放电。

可见放电的伏安特性近似符合线性关系，这种规律与报道的结果一致【7引。

但是由于放电气压和线圈电流同时影响放电频率，导致了数据点比较离散。

脉冲放电的击穿电压随气压之间的变化关系如图3所示。

一般的辉光放电过程中，电压和气压的关系符合Pas chen 定律，即在放电的过程中电压随气压的
第4M巧j?j“i W：．■功j笨脉}l I I㈦r撕髓．}'：；凇咐放I U{t一陀f1I参缴”究
捉．留出脱最低值，【皋J3l f J“J数槲也求脱J，类似的变
化规律。

击穿电压也受到线吲I乜流的影I I吼在一般
的直流非平衡磁控溅射放l乜t}J击穿电压也随线幽
电流的增J J ui f,i提高Il2I。

气压主要影u向脉冲电流峰
值，吲定其它放电条件。

气压和脉冲电流峰值的变
化关系如图4所示。

脉冲电流峰值随气压的提高而
降低，主要是由于高气压导致电子和中性粒子的碰
撞频率提高。

影了电子电荷的传输。

实验表明脉冲
电流峰值远高于目前报道的数值，表明本文的
H PPU M S放电的应用性能优于开关电源供电的
H PPU M S技术。

本文中H PPU M S放电首先是由于互》疋，电源电容中能够储存足够多的电能。

放电频率的最大值取决于脉冲的持续时间，如果脉宽接近或大于脉冲持续的时间，放电将形成连续放的直流放电；脉冲电流峰值主要取决于电源的输出阻抗和气压。

实验中发现当放电的气压大于1．2Pa．仍然能够形成直流的放电状态；除此之外，磁控靶表面的磁场能够约束放电电荷，增加磁控靶上的等离子体密度，提高了电荷的时间增长率，使放电的电流有条件达到较高的峰值。

线幽电流可能微弱影响磁控靶径向磁场，平行磁场和电场方向垂直并能够约束电子并导致电子形成漂移运动，运动速率为％=e／B，其中E为磁控靶表面的电场强度，B为磁控靶表面的磁场感应强度。

离子的回旋半径远大于电子的回旋半径，磁场对离子的运动影响可忽略，由于离子的惯性质量是电子的105量级，因此电子响应脉冲的速率远大于离子。

电子在磁控靶表面的磁阱中运动时与中性粒子发生碰撞电离，进一步提高了离化率，这样形成了高的脉冲电流峰值。

图2H PPU M S放电的伏安特性
固定线嘲l乜流在5A。

图3H PPU M S放电的击穿电压随气压的变化关系
图4不同气压条件下的脉冲电流波形
放电过程中主要依靠二次电子发射，形成二次电子又取决于由电离形成的离子密度，所以电流增长速率是由汤森放电的电离效应决定的。

测量H PPU M S的等离子体参数能够增加对这种技术物理过程的理解。

但是实验中的测量脉冲放电的技术比较复杂，文献I l，5，6】中采用光谱分析、L angm ui r 探针、质谱等技术研究H PPU M S的电子温度、电子能量分布和离子能量分布等参数。

根据浮置电位和电子温度之间的关系测量电子温度，研究中取浮置电位脉冲峰值％的半高值计算电子温度数值。

另外根据玻姆关系，到达偏压电极的饱和离子通量为【I6．17J．
f=nsl A i c=o．605n。

,／kro／玛(1)式中，U k为离子声速；k为玻尔兹曼常数；m i为离子质量；n。

为等离子体密度；t为电子温度。

另一方面通过对电子能量的麦克斯韦分布进行积分能够得到I 旬器壁入射的电子通量为：
核聚’受‘0玲庞．J，．f_{j=物州
厂c=rK正(w。

)dw。

：堡专盟e‘九“‘(2)
式中．W。

为电了动能；积分下限是电子克服器壁的
电位抵达容器壁所需的最小速度V o=ff-2e(bw／m。

，
电子热速度为(K)=√8足瓦／7cm。

；入射到器肇的电
流为离子电流和电子电流的总和，当平面电极处于
悬浮状态时有【f=f k。

将电子温度的单位换算
为ev，浮置电位与电子温度之间的关系为：
沁．’()罄v=一冬l l+In(#Jl【3)上Z兀l l l e
根据式(1)和饱和离子l乜流的峰值，。

半高f l-f能
够汁算出等离子体的密度。

根据式(3)i t算的电子温
度、等离子体参数和对应的放电条件列于袭l中。

其中，％为浮置电位的峰值，，c p为离子饱和电流
的峰值，离化率为，．=l O O n。

I n。

，以。

为中性气体的
密度。

表1等离子体参数和对应的放电条件
J m z V／V p／Pa H A V,p／V“A7√eV no，10一m q r，％
1．47920O，34一108885．231．6423．54
20．57400．46一12685．66．1l1．4715．9l
30．9l680O．57-8687．24．171．8215．69
46200．68一11895．25．721．6912．18 50．596100．89—8482．44．071．749．37
6I．56590O．99-921044．462．0910．05
从放电曲线上能够观察到在放电电压降低到最低点后，等离子体仍将维持l一10m s，维持放电的最低电子温度和等离子体密度条件能够计算出来，如条件l的情况下t=0．78eV，n。

=6．18x1018 m。

3，低于上述数值放电终止，当磁控靶的电压重新增加到放电电压时形成新的脉冲。

放电曲线表明当放电电压跌落到0V左右，达到脉冲电流峰值，高密度的等离子体在静电作用下向四周发散，这种现象不同于经典的情况下，等离子体在电场力和密度梯度力的作用下向电极运动；脉冲高密度等离子体传输主要受空间电荷限制条件的影响，因此根据蔡尔德定律计算的离子电流和电子电流数值近似符合实验的结果117l。

为了得到更精确的结果，需要根据磁控放电的特殊电磁场条件对蔡尔德定律进行修正。

相关的工作正在进行之中。

I—J轴线圈形成的非平衡磁场能够约束放电电荷或等离子体．使之聚焦于轴线附近；空心阴极能够控制启辉时“爆炸”电荷的发散趋势【l引，空心阴极效应也有助于进一步提高离化率和脉冲效率。

根据式(1)～(3)计算的H PPU M S离化率大于10％。

电源供给的平均功率影响电源中电容充电速率，从而影响放电频率，线圈电流对放电频率的影响机制为：一方面是约束电荷使之轰击到磁控靶的概率提高，所以放电的频率随线圈电流的增加而提高；另一方面磁镜效应提高了离子轰击磁控靶的电压阈值【I王191，又导致放电的脉冲频率随线圈电流的进—步提高而降低，实验结果包含这两种效应共同作用。

研究结果表明这种放电技术沉积速率较低，而且放电过程中由于电流峰值非常大，容易出现微小的电弧放电等，这些I、口1题是H PPU M S研究中普遍存在的问题‘78—1。

本文研究的H PPU M S放电电流能够达到非常大的数值，离子电流相应增加，为材料改性提供了一种新的途径，有关H PPU M S的深入研究正在进行之中。

4结论
高功率脉冲非平衡磁控溅射采用直流电源供电，利用汤森放电机制形成高功率脉冲放电，脉冲功率峰值达到10kW．cm-2以上，实验的脉冲频率最大值为40H z左右。

空心阴极、平均功率、线圈电流、气压等实验条件影响放电特性，电源中电容的充电时间常数影响放电频率，磁阱中的电荷密度增长率远高于一般的辉光放电。

离子电流主要受空问电荷限制条件控制，放电等离子体远离平衡状态。

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K ey w or ds：M agnet r on s put t eri ng；D i s charge；Pul s ed t echno l ogy。