磁控濺射放電等離子體與非蒸發(fā)型吸氣薄膜.pdf

1、在新材料研究前沿領域中，當今的沉積技術已經發(fā)展到能夠制備高質量薄膜的程度，比如化學氣相沉積（chemical vapor deposition, CVD）和物理氣相沉積（physical vapor deposition, PVD）。磁控濺射作為最重要的PVD技術之一，采用E×B電磁交叉場放電，其等離子體動力學及其對薄膜沉積過程的影響是當今科研的重要課題之一。
　　磁控濺射可以分類為低功率密度的直流磁控濺射（DCMS）、處于中等功

2、率密度的脈沖磁控濺射（PMS），和高功率密度的高功率脈沖磁控濺射（HiPIMS）。目前相關文獻中 HIPIMS等離子體不穩(wěn)定性已經有較為深入的研究，揭示了其等離子體含有豐富結構，如電離輻（spoke）、耀斑（flare）和角向非對稱帶電粒子噴流等。然而，DCMS和 PMS中的等離子體不穩(wěn)定性并沒有被廣泛研究。吸氣材料（getter）是一種能與氣體通過化學或物理反應而結合的活性材料，由于離子加速器腔體內徑很小、長度很長，難以單一通過真空泵

3、達到其要求的超高真空（ultra high vacuum, UHV），所以在其腔內表面沉積非蒸發(fā)吸氣材料（non-evaporative getter, NEG），經過加熱激活后,有望在室溫下實現(xiàn)10-9~10-12 Torr的超高真空（UHV）。目前歐洲核子研究中心（CERN）已在內徑大于10 mm的腔內成功沉積了NEG薄膜。然而對于先進光源升級項目（ALS-U）的軟 X射線（soft X-ray）衍射極限儲存環(huán)（DLSR），更細的光

4、束腔（內徑小于10mm）為 NEG材料的沉積帶來了極大的挑戰(zhàn)。在上述研究背景下，本文的主要工作是對 DCMS、PMS、HiPIMS三種磁控濺射放電等離子體動力學進行全面系統(tǒng)研究，綜合所有放電條件（氣壓、功率等）給出一個等離子體行為模式的宏觀圖。然后利用其中有利的普適放電理論，采用脈沖濺射在細銅管內表面（內徑為6 mm）沉積NEG薄膜，這是迄今為止沉積了NEG薄膜的內徑最小的真空腔。
　　在本文的第一部分，主要研究了磁控濺射等離子體

5、中存在的兩個主要低頻振蕩：（1）旋轉電離輻振蕩，其傳播方向沿著靶材刻蝕軌道（racetrack）方向，也稱作角向（azimuthally）；（2）呼吸振蕩，其傳播方向沿著靶軸線方向（axially）。研究方法是快速成像（增強型電荷耦合器件相機和條紋相機）、朗繆探針和粒子能量質量分析儀。
　　旋轉電離輻振蕩——在電流密度介于DCMS和HIPIMS之間的PMS中，發(fā)現(xiàn)了電離輻傳播方向反轉的過渡區(qū)，且其傳播方向是由電子溫度和電離率的競爭

6、平衡所決定。電離輻的運動反轉現(xiàn)象對薄膜沉積過程有重要影響，相關沉積參數在這一過渡區(qū)域也將發(fā)生反轉。
　　呼吸振蕩——在磁控濺射中發(fā)現(xiàn)了等離子軸向的整體振蕩，其特征頻率在10~100 kHz之間。呼吸振蕩尤其在低氣壓、低電流的條件下更加顯著。等離子體軸向變化與電離率相關，電離率則由中性粒子供求決定。最后用云圖總結不同氣壓和電流下的等離子體主導模式。
　　穩(wěn)定模式——當 HIPIMS的電流密度非常高時，高濺射率靶材的電離輻將角向

7、合并變成角向均勻等離子體環(huán)，振蕩消失。對電離輻導致的離子能量增加進行了離子質譜分析，結論是，高濺射率導致靶材原子供大于求，大量靶材原子使電子溫度冷卻，抑制了等離子體不穩(wěn)定性，所以電離輻振蕩消失，變?yōu)榻窍蚓鶆蚧€(wěn)定模式。
　　本文的第二部分，是基于上述第一部分磁控濺射等離子體的物理理論，采用脈沖濺射沉積法在細長真空管內壁（內徑小于10 mm）進行了NEG薄膜沉積。
　　本文對比了兩種陰極金屬線的沉積效果：Ti、V、Zr三根金屬

8、線電動絞成一根的絞線，和Ti-V-Zr合金線。并對所制備的NEG薄膜進行了表征。例如，掃描電子顯微鏡（SEM）用于測量表面形貌，能量色散X射線光譜儀（EDX）用于表征化學成分，盧瑟福背散射能譜（RBS）用于表征化學成分的深度分布，等等。SEM圖像表明，采用合金線制備 NEG薄膜的表面形態(tài)比采用絞線制備 NEG薄膜要更加均勻且更加致密。它們沉積的NEG薄膜均有花椰菜狀納米結構，不同條件沉積的薄膜納米結構平均尺寸在10~100nm之間。較大