筒内高功率脉冲磁控放电的电磁控制与优化

高功率脉冲磁控溅射(Hi PIMS)技术被提出以来就受到广泛关注,其较高的溅射材料离化率结合适当的电磁控制,可产生高致密度、高结合力和高综合性能的涂层,但其沉积速率低、放电不稳定、溅射材料离化率差异较大.我们设计了一种筒形溅射源,通过对结构的设计优化,利用类空心阴极放电效应,使问题得到解决.然而其靶面切向磁场不均匀,电子逃逸严重,进而造成等离子体密度偏低,且放电不均匀.本文通过对其放电和等离子体分布进行仿真,提出电场阻挡和磁铁补偿两种方案,研究了不同电场控制条件下的放电行为和等离子体分布.结果表明:增加电子阻挡屏极可以生成势阱,从而有效抑制电子从边缘的逸出;优化后的磁铁补偿可以显著提高靶面横向磁场的均匀性及靶面利用率.两种方案同时作用时,Hi PIMS放电刻蚀环面积更大、且更加均匀.

筒内高功率脉冲磁控溅射放电等离子体的空间分布及输运行为

增强对高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)过程中等离子体分布及输运行为的理解是控制涂层沉积过程并优化涂层性能的关键,尤其是对于筒内放电,等离子体分布与输运过程更加复杂,影响粒子运动行为的因素更加多样。针对筒内HiPIMS放电,并耦合电磁约束离子输出系统,以Ar/N_(2)/Cr磁控溅射体系中的主要组分及其相关反应和运动规律为研究对象,利用检验粒子蒙特卡罗(MC)方法对Ar、N_(2)和Cr三类主要演化粒子的空间演变过程进行仿真,发现离子输出束流中的各粒子呈现出不同的空间分布。其中,质量大、离子能量高的金属离子Cr^(+)的输出束流最窄,而质量小、离子能量低的气体离子N^(+)的输出束流范围最宽。利用高精度光谱仪测出Ar^(+)、N^(+)和Cr^(+)的特征光谱强度随空间的变化,与仿真得到的离子空间分布吻合。同时,利用该体系可在不同的沉积位置制备出不同Cr/N比的Cr_(x)N涂层,实现多种成分的一次性制备或同一成分的可控制备。