高功率脉冲磁控溅射技术的特点及其研究

高功率脉冲磁控溅射技术的特点及其研究班级：机械工程学院材料1301班学号：0335******* 作者：程乾坤摘要：本论文主要介绍高功率脉冲磁控溅射技术的主要特点以及目前的研究状况和未来的发展方向。简介该技术到目前为止世界范围内的进展和发展历程，作者对该技术到目前为止的发展分析以及对该技术所作的一些想法。

关键词：高功率磁控脉冲、离化率、薄膜性能

一、高功率脉冲磁控溅射技术的介绍

磁控溅射（HIPIMS）是在溅射的基础上，运用靶板材料自身的电场与磁场的相互电磁交互作用，在靶板附近添加磁场，使得二次电离出更多的离子，增加溅射效率。这种技术应用于材料镀膜。其中高功率脉冲磁控溅射（high-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) 或high-power pulsed magnetron sputtering (HPPMS)）近来使用较为普遍。磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar 来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E 的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。高功率磁控溅射是著名已故俄罗斯科学家Vladimir Kouzentsov开发并且拥有专利的一种脉冲物理气象沉积（PVD）的方法。它的主要特点是离化率高，堆积致密，镀膜性能好。高功率，顾名思义，是用非常高的电压产生的脉冲撞击靶材表面而使得靶材离化率大幅增加的技术，但是发射高功率脉冲是对电极的一个考验，所以，这种高功率的发射不是连续的，而是在电极的可承受范围内断续而高频的发射，这种方法既增加了靶材的离化率，又相对延长了电极的使用寿命。由于击中基体的带正电荷的粒子能量和方向均受到施加于基体的负电压（偏压）的有利影响，因此，高的靶材金属离化率相对于传统方法，使涂层结构和特点上得到了改进。1

二、截止目前的发展及研究

1999年，瑞典的V,Kouznetsov及其团队[1]首次采用高功率磁控脉冲作为磁控溅射的供电模式，提出了HPPMS的方法，并沉积了Cu薄膜，相对于普通的直流溅射，HPPMS获得高的CU离化率，膜层高致密度，高的靶材利用率，均匀的厚度[2]。这时有很多做磁控溅射研究的学者开始关注这一研究方向，并且在试验中将这种设备逐渐完善。其中主要包括改进磁控放电的稳定性和改变脉冲结构增加沉积率两个方面。高功率脉冲磁控溅射技术(HPPMS)由于能够产生较高的离化率而受到人们的重视。为了提高离化率/沉积速率协同效应,基于直流和脉冲耦合叠加技术我们研制了高功率密度复合脉冲磁控溅射电源,并对高功率复合

脉冲磁控溅射放电特性进行研究。结果表明脉冲峰值电流随脉冲电压的增加而增加,但随着脉冲宽度的增加而减小。在高功率脉冲期间工件上获得的电流可以增加一个数量级以上,表明磁控离化率得到显著增强。[3]此外，国内的一些学者研究出了复合高功率脉冲磁控溅射，

采用高功率脉冲磁控溅射与直流磁控溅射并联的复合高功率脉冲磁控溅射技术,研究直流

磁控溅射部分耦合直流电流变化对Ti靶在Ar气氛中放电及等离子体特性的影响.采用表面轮廓仪、扫描探针显微镜、X射线衍射与纳米压痕仪对Ti薄膜厚度、结构特征以及力学性能进行表征.结果表明：耦合直流电流增加,靶平均功率增加,脉冲作用期间靶电流降低,等离子体电子密度增加;在耦合直流电流为2.0A时,等离子体电子密度和电子温度获得较大值,分别为2.98 V和0.93 eV;耦合直流电流增加,Ti薄膜沉积速率近似线性增加,粗糙度增加,硬度和弹性模量略有降低;相同靶平均功率时,采用复合高功率脉冲磁控溅射技术制备Ti薄膜与采用传统直流磁控溅射技术相比,沉积速率相当;靶平均功率650W时复合高功率脉冲磁控溅射所制Ti薄膜比传统直流磁控溅射所制Ti薄膜更加光滑,平均粗糙度降低1.32 nm,力学性能更加优异,硬度提高2.68GPa.[4]在HPPMS的放电方式研究方面，大连理工大学的三束材料改性实验室的直流诱导高功率脉冲非平衡磁控溅射[5]是一个亮点，采用直流电源放电，通过控制非平衡磁控靶的磁场分布和气压等放电参数，由放电不稳定性形成高功率脉冲。磁控溅射放电气体和溅射原子的电离主要发生在阴极鞘层区域，利用了E×B交叉场约束电子[6]，导致了复杂等离子体的不稳定性和电磁效应,[7][8][9]通过调整磁场功率等放电参数诱发交叉场驱动霍尔漂移的电离不稳定性和磁绝缘机制形成高功率脉冲放电。采用同轴线圈电流控制非平衡磁控溅射系统的非平衡度放电电源为直流磁控溅射电源，研究调整放电过程中的气压、功率和磁场电流等参数控制放电脉冲的频率，采用示波器观察这种脉冲放电过程，研究了线圈电流、气压和脉冲频率之间的关系，采用圆形平面偏压电极研究了脉冲放电模式中的浮置电位和脉冲离子电流，分析了脉冲的波形的特征、形成原因及影响因素。高功率脉冲磁控溅射技术的关键是在磁控溅射阴极上施加高功率脉冲，根据施加脉冲的峰值功率和波形，分为常规的高功率脉冲磁控溅射（ＨＩＰＩＭＳ／ＨＰＰＭＳ，Ｈｕｅｔｔｉｎｇｅｒ公司）和调制脉冲功率磁控溅射（ＭｏｄｕｌａｔｅｄＰｕｌｓｅｄＰｏｗｅｒＭａｇｎｅｒｏｎＳｐｕｔｔｅｒｉｎｇ（ＭＰＰＭＳ），或ＨＩＰＩＭＳ+，Ｚｐｕlｓｅｒ和Ｈａｕｚｅｒ公司）；电压在脉冲作用时间内快速上升至ｋＶ级，随后减小，放电电流可达ｋＡ，峰值功率０５～１０ｋＷ／ｃｍ２，空比０５％～５％，脉冲宽度２０～２００μｓ；图３（ｂ）是典型的ＭＰＰＭＳ电压电流和功率波形，相对于ＨＩＰＩＭＳ，ＭＰＰＭＳ降低峰值电流和峰值功率约一个量级，脉冲宽度增加至ｍｓ量级，最大可达３ｍｓ，占空比１％～３０％，而且可以通过微脉冲调制脉冲位形，实现包括引等离子体的弱脉冲和增强等离子体的强脉冲在内的多段脉冲控制，提高了等离子体的稳定性和可控性．近几年来，除两种主流高功率脉冲溅射技术外，Ｍａｇpｕｌｓ、Ｍ e ｌｅｃ、ＰｌａｓｍａＴｅｃｈ、Ｓｏｌｖｉｘ、Ｚｕｌｓｅｒ等公司和哈尔滨工业大学科研单位又展出了双极脉冲高功率脉冲磁控溅射、直流叠加高功率脉冲磁控溅射和高频高功率脉冲磁控溅射技术等，用于克服现有高功率脉冲溅射在阴极或沉积膜层导电性差时易打弧、沉积速率下降等不足．[10]

目前所发展研究的高功率磁控脉冲溅射技术，主要是在高功率电磁脉冲的作用下是靶材大量离化，形成颗粒，在磁场和电厂的交互作用下撞击在基材表面形成薄膜，这种磁控溅射技术的沉积速率快，但是靶材在大功率的电离作用下离化的颗粒较大且不均匀是影响镀膜质量的主要因素，所以我的设想是从控制工作环境和气体氛围和离化颗粒在基材上的附着这两个方面来提高镀膜质量。

1）André Anders等人研究了高功率脉冲磁控溅射时电压- 电流- 时间关系，他们采用 Cu 、 T i i、Nb 、C、W、Al 及 Cr 等不同的靶材，对等离子体放电特性进行研究。研究发现，HPPMS放电主要有两个阶段组成：第一阶段与工作气压相关，主要是气体发生电离放电；第二阶段则取决于靶材材料和功率，与发生的自溅射密切相关。

A.P.Ehiasarian等人对HPPMS放电等离子体成分机型了研究，发现在纯Ar气体环境下，Ti+