磁控溅射Ti靶表面粒子溅射模式的机制研究

利用自主研发的双级脉冲电场,通过分别调控2个脉冲阶段的电场参量引发阴极靶面气体放电由辉光向弧光转变,借助弧光放电产生的高密度等离子体,增强靶面氩离子的碰撞动能和金属靶材产生的焦耳热,诱发靶面粒子以高离化率、高产额的热发射方式离开靶材。结果表明:在持续提高铜靶和钛靶的靶电流密度时,阴极靶材与阳极腔体间的伏安特性会由正比例的递增关系转变为反比例的递减关系,说明气体放电会由辉光放电向弧光放电转变,并以此诱发靶面粒子由碰撞溅射方式转变为溅射加热发射方式离开靶材。实验以钛靶作为研究对象,采用双级脉冲电场在提高钛靶电流密度时,靶面形貌由具有阶梯状直线条纹的多边形凹坑结构转变为具有阶梯状直线条纹的多边形凹坑和水流波纹状的圆形凹坑的混合结构,说明此时靶面粒子的溅射方式除典型的碰撞溅射外,已逐渐向溅射加热发射双重方式转变,薄膜的沉积速率也由6 nm/min大幅增大至26 nm/min。

不同放电模式对粒子获得方式及TiN薄膜微观结构的影响

在当前薄膜制备技术中,电弧离子镀因靶材表面发生电弧放电局部熔融,导致沉积粒子中夹杂微米尺度高温颗粒,引发薄膜表面粗糙和基体高温损伤;直流磁控溅射因辉光放电产生的等离子体碰撞溅射靶材表面,导致溅射出的粒子离化率低,引起薄膜厚度不均和组织疏松。为解决以上问题,依据气体放电等离子体物理学知识,采用新型阶梯式双级脉冲电场诱发阴极靶材与阳极腔体间气体微弧放电,依靠微弧放电后产生的高密度等离子体,增强Ar^(+)对靶面的轰击动能和靶面产生的焦耳热,实现将粒子的获得方式由碰撞溅射转变为热发射方式,以此提高粒子的离化率,达到改善薄膜结构的目的。实验结果表明:双级脉冲电场诱发的气体微弧放电呈现出耀眼白光,靶面形貌表现出高低起伏的凹坑及水流波纹,此形貌不同于粒子碰撞溅射后的多边形凹坑形貌,说明靶面局部区域的粒子发生了热发射现象。同时,制备的TiN薄膜具有较为致密的组织,且沉积速率可达51 nm/min。