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1、http:/ -1- 中国中国科技论文在线直流诱导的高功率脉冲非平衡磁控溅射科技论文在线直流诱导的高功率脉冲非平衡磁控溅射 牟宗信*，贾莉，牟晓东，董闯 （大连理工大学 三束材料改性实验室, 大连理工大学物理与光电工程学院，辽宁 大连 116024） *E-mail: 摘摘 要：要： 发表了直流诱导的高功率脉冲非平衡磁控溅射的现象和机制。 圆形平面磁控靶与同 轴线圈构成非平衡磁控溅射靶； 采用直流磁控溅射电源放电， 同轴线圈电流改变非平衡磁控 溅射靶的非平衡度；控制放电的气压、功率和线圈电流等参数形成大幅度、低频的高功率脉 冲放电，研究高功率脉冲放电特性与线圈电流、气压、功率等放电参数的联系
2、。圆形平面偏 压电极测量高功率脉冲的浮置电位和脉冲离子电流， 分析了脉冲波形的特征和形成原因及影 响因素，根据磁绝缘二极管理论定性计算脉冲离子电流、电子电流等数值符合实验结果。 1 引言引言 近年来开发了多种先进的脉冲磁控溅射技术， 比如孪生磁控溅射技术、 大功率脉冲磁控溅射技术 （High Power Pulse Magnetron Sputtering， HPPMS， 或 High Power Impulse Magnetron Sputtering，HPIMS）等1-2。其中孪生磁控溅射沉积技术能够沉积绝缘性材料，大功率脉冲磁控溅射技术能够形成高密度、高离化率等离子体，引起广泛的兴趣。V
3、.Kouznetsov 等最早研究了 HPPMS 技术，功率密度达到几个 kW/cm2 ，离子电流达到几个 A/cm2 ；Andersson表明 HPPMS 溅射钛靶的过程中形成了高价态离子， 并由此形成了具有较高等离子体密度的自持溅射现象；放电特性和阴极材料、放电气压、电源参数、等离子体密度以及有金属离子的运动速度有密切的关系2。 HPPMS 提高了脉冲瞬间能量，同时保持较低的平均能量输入，通常采用脉冲频率为1-100Hz 的开关脉冲电源放电，其放电的机理仍然处于基础研究阶段，大功率的开关电源对于器件有较高的要求。本文发表了一种高功率非平衡磁控溅射方式，采用直流电源放电，通过控制非平衡磁控靶
4、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BEvv交叉场约束电子3，导致了复杂等离子体不稳定性和电磁效应4-6，通过调整磁场和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
5、的特征、形成原因及影响因素。 2 实验过程实验过程 非平衡磁控溅射系统结构参见图 1，圆形平面磁控溅射靶的直径为 10cm。特斯拉计测量平行磁控靶表面磁场轴向分布（刻蚀痕的上方）分别如图 2 所示；通过调整线圈电流改变非平衡磁控溅射靶的轴向磁场(见文献5)，磁控靶材料为纯铬（纯度高于 99.8%）。放电过程中使用的直流电源电压范围是 0-1000V。直流磁控溅射电源采用三相全波整流、电容滤波输出。真空室采用分子泵抽到3103Pa,采用气体质量流量计调节气体流量和控制放电气压为 0.1-5Pa，充 入 高纯 Ar(99.999%)进 行 放 电 。 http:/ -2- 中国中国科技论文在线科技
6、论文在线图 1 非平衡磁控靶的结构简图 罗思戈夫线圈测量脉冲电流，转换系数为 100A/1V，分压电阻测量磁控靶电压转换比例为 100V/1V,数据输入示波器（Tektronix 示波器 TDS2022，200MHZ）。磁控靶和与之平行的基片台之间的距离为 20cm，采用与磁控靶相对放置直径为 7cm 的圆形平面电极收集离子饱和电流，平面电极材质为 304 不锈钢，除收集电流的电极表面外其它位置被屏蔽，测量离子束流时电极施加偏压为-100V，0.5 精密电阻取样，距离磁控靶为相对于阴极 20cm，在偏压的作用下，得到离子电流cI，除以面积得到饱和离子收集电流密度cJ。实验中分别调整线圈电流、
7、放电气压和平均功率， 测量电流、 电压、 电极浮置电位和离子电流的脉冲信号；固定线圈电流测量平均功率和频率的关系； 固定平均放电功率测量线圈电流和脉冲频率的关系。 图 2 平行磁控靶表面的径向磁场随线圈电流和位置的变化关系 3 结果与讨论结果与讨论 由一个圆形磁控靶和一个同轴线圈构成非平衡磁控溅射靶， 平行磁控靶表面的径向磁场随线圈电流的变化关系如图 2 所示， 通过调整线圈的电流能够改变磁控靶上的磁场感应强度http:/ -3- 中国中国科技论文在线科技论文在线及其空间分布，线圈电流从 0A 变化到 8A，在磁控靶的表面上的径向磁场感应强度最大值从 0.095T 变化到 0.12T，和电场方
8、向垂直磁场，能够约束电子并导致电子形成漂移运动。 图 3 磁控靶的放电时间变化特性曲线，(a)电压脉冲曲线；(b)电流脉冲曲线；(c)平面电极浮置电位；(d)平 面电极离子电流脉冲曲线 磁控靶的放电时间变化特性曲线如图 3 所示，其中(a)为电压的脉冲曲线；(b)为同步的电流脉冲曲线；(c)为平面电极的浮置电位；(d)为平面电极测得的脉冲离子束流，平均放电功率为 1.5kW，放电气压为 0.6Pa，固定线圈电流在 5A。 提高放电电压达到击穿电压达到-310V 左右发生放电击穿，磁控靶的电压大幅降低，导致放电终止，当再一次达到击穿电压时，又发生放电击穿，这种脉冲过程不断持续，导致形成大幅度的脉
9、冲放电，脉冲频率为 10Hz 左右，脉冲电流峰值大于 180A，功率密度峰值达到 1.03kW/cm2，电流脉冲的半高宽为 3-6ms，浮置电位的最大值达到-80V，平面电极上的脉冲离子电流达到 16A 以上。分别在 0.3Pa、0.6Pa 二种典型气压条件下进行放电，电压信号、 电流信号和平面电极上测量的浮置电位、 离子电流信号如图 3 所示， 脉冲电压 310-350V，气压较低的放电电流大于气压较高的放电电流， 但气压较高时电流的脉冲半高宽要大于放电气压较小的情况，电压曲线类似电源中电容的充电特征曲线，在不同气压条件下，曲线的电压、电流脉冲特征和频率都有明显差别。 http:/ -4-
10、中国中国科技论文在线科技论文在线图 4 放电频率随功率之间的变化关系，(a)0.3Pa；(b)0.6Pa 图 5 不同放电气压的放电频率随线圈电流的变化关系，(a)0.3Pa；(b)0.6Pa；(c)1.8Pa 在 0.3Pa、0.6Pa 两种典型气压条件和线圈电流为 5A 时，脉冲放电的频率和平衡功率之间的变化关系如图 4 所示， 脉冲放电的频率随平衡功率的增加而线性增加。 不同放电气压的放电频率随线圈电流的变化关系如图 4 所示， 分别在 0.3Pa、 0.6Pa 和 2Pa 三种典型气压条件下改变线圈的电流， 观察线圈电流和放电频率之间的关系， 线圈电流变化时在三种气压条件下都有放电频率
11、的峰值，最大的频率为 40Hz，频率随线圈电流增加达到峰值以后又逐渐下降；在 0.3Pa 的条件下，频率随线圈电流的增加呈递减趋势，推测频率峰值在线圈电流为负值时出现。 根据图 3 的电压脉冲曲线可以看出，磁控靶的时间特性曲线近似为1(1)t SUUe=，其中SU是峰值电压，放电的特性是2()t SUUe=，1、2为待定的时间常数，放电功率和磁场条件影响时间常数。 线圈电流影响磁控靶表面的磁场强度， 相应地影响放电过程中的电荷密度，放电气压也会影响电荷密度、碰撞频率和电离率，最终影响放电的频率。平行磁控靶的磁场和电场方向垂直，能够约束电子并导致电子形成漂移运动，运动速率为duE B=，其中E为
12、磁控靶表面的电场强度，B为磁控靶表面的磁场感应强度。磁控靶的http:/ -5- 中国中国科技论文在线科技论文在线表面离子的回旋半径远大于电子的回旋半径， 近似认为放电时电子被磁化， 而离子的运动不受磁场的影响； 离子的惯性质量远远大于电子的惯性质量， 电子对于外电场变化的响应速率远大于离子。 分析的模型设置采用柱坐标系，圆形磁控靶的对称轴为 Z 轴，半径方向为 R 轴，原点在磁控靶的中心，磁控靶的放电电流有垂直阴极表面的传导电流Dj和平行阴极表面的霍尔电流Hj两种分量4，其中DHjj，放电开始时电子沿磁控靶表面积累和角向漂移，可能形成较高的电离率， 磁控靶上的电压急剧下降导致轴向运动和角向运
13、动的电子可能无法获得足够的能量去电离中性原子，雪崩放电过程就要终止，这时电流的增长受到抑制；第二次雪崩过程要在提高阴极电压的条件下重新开始，如此往复，直到阴极电压达到足够高，能维持雪崩放电过程。可见雪崩放电的机理是导致阴极电压波动的原因之一，从实验的结果图 3中观察，放电的过程是典型的脉冲放电，电压发生大幅度的跌落，形成电流脉冲，电流脉冲的持续约为 2.6ms，幅值达到 200A 以上，电压的波形符合电容充放电的电压特性，在这种低频放电的条件下，认为是电源中电容的充电时间特性决定了整个电路的放电频率，从图 3中能够看到充电时间常数远远大于放电时间常数，12?，即电容的充电速率远远小于放电的速率
14、。脉冲形成过程类似与磁绝缘的物理过程，根据磁绝缘二极管理论7，在电荷能够有效分离的情况下，磁场的条件为1/2(2)/rdeBU med=，其中dU是磁控靶的电压，e是电子电荷，em是电子质量，d是电极的间隙，如果电压是-300V，两极间隙近似于磁场的有效作用区域，约为 0.01m，临界的磁场rB =0.014T。在空间电荷限制的条件下，根据蔡尔德定律有()1/23/22 0(49) 2eedjZe mUd=，其中0是真空介电常数，Z是原子序数，em是电子质量，电子电子电流和离子电流密度之间的关系为()1/2 ieeijm=，根据公式进行估算的结果能够定性判断参数的关系。经过计算电子电流为 80
15、-150A，离子电流为0.3-0.5A，计算的结果和实验结果比较符合。 磁场条件， 气压和磁控靶上的电压是影响脉冲放电特性的关键因素， 启辉的过程需要很高的电荷密度增长率， 交叉场率提供了形成高电荷密度增长率条件， 一方面电子的交叉场漂移导致电子和离子发生分离形成了磁绝缘， 另一方面放电时间常数要远小于磁控靶上的电压增加的时间常数， 两种作用导致了放电脉冲的截止， 脉冲放电的电子和离子电流远大于一般的直流磁控溅射的放电参数，典型条件的放电功率密度达到 1kW/cm2 以上，对于不同的放电系统研究正在进行。 4 结论结论 本文研究高功率脉冲磁控溅射放电， 由电源和磁控靶参数的匹配关系导致高电离率
16、和高功率脉冲，根据电离理论和磁绝缘二极管理论探讨了放电的机制，脉冲的功率密度为1kW/cm2 以上，频率为 40Hz 以下，放电气压、平衡功率和线圈电流对脉冲特性有显著的影响，根据磁绝缘二极管的理论定性计算放电参数和实验结果比较符合。 致谢致谢 本论文工作得到国家自然科学基金（批准号 50407015）资助。 http:/ -6- 中国中国科技论文在线参考文献科技论文在线参考文献 1 V.Kouznetsov, K. Maca, J. M. Schneider, et.al. A novel pulsed magnetron sputter technique utilizing very high target power densities, Surfa
