雙脈沖電場伏安特性對純Ti薄膜結(jié)構(gòu)及性能的影響.pdf

1、針對磁控濺射離子鍍沉積粒子離化率低而造成的薄膜均勻性差等技術(shù)不足，依據(jù)等離子體物理學中氣體放電伏安特性曲線中存在一強輝弱弧區(qū)間，探討了強輝弱弧區(qū)間磁控陰極電場模式對純金屬Ti薄膜微觀結(jié)構(gòu)及性能的影響規(guī)律和可調(diào)控范圍，以可觀察的微觀組織和可測的硬度等性能指標為依據(jù)，揭示了難以直接觀察的陰極靶面沉積粒子瞬態(tài)脫靶方式隨電場模式的演變規(guī)律，并通過對脫靶方式的調(diào)控以提高沉積粒子離化率。實驗通過在陰極靶材與陽極腔體間構(gòu)建具有較大電流密度和較強電場強

2、度的高功率脈沖及雙脈沖電場將氣體放電引入強輝弱弧區(qū)間，借助Ar+轟擊靶材產(chǎn)生的能量累積和靶材內(nèi)電子傳輸產(chǎn)生的焦耳熱積累，使沉積粒子因靶面溫度迅速上升而引起大量的熱發(fā)射，即實現(xiàn)了沉積粒子以碰撞增強熱發(fā)射方式脫靶，并以此改善沉積薄膜的微觀結(jié)構(gòu)及綜合性能。
　　研究表明：在相同平均功率條件下，直流電場峰值電流密度處于較小值為0.04A/cm2，氣體放電處于輝光區(qū)，薄膜表現(xiàn)出疏松、致密性差的結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸為28nm，表面粗糙度為127nm

3、，由此表明碰撞脫靶難以獲得高能量、高離化率的沉積粒子導致薄膜性能較差。當采用高功率脈沖及雙脈沖電場時，均可獲得大于0.5A/cm2的峰值電流密度，并且根據(jù)測得的電流密度達到0.2A/cm2時氣體放電進入反歐姆區(qū)，說明脈沖電場環(huán)境可將氣體放電引入強輝弱弧區(qū)，實現(xiàn)了由Ar+單純碰撞脫靶機制向Ar+碰撞和靶材熱發(fā)射兩種脫靶機制的混合脫靶方式的轉(zhuǎn)變。沉積的薄膜表現(xiàn)出致密的結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸在20nm以內(nèi)，粗糙度在20nm左右。并且雙脈沖電場平均沉積

4、薄膜速率45.7nm/min，約為高功率脈沖的2倍且接近直流的沉積速率，在靶基距240mm處薄膜最厚為1.496μm，正反厚度比為2.51最接近于1，說明碰撞增強熱發(fā)射脫靶方式能夠獲得離化率及能量均較高的沉積粒子，從而改善了真空腔內(nèi)沉積粒子分布的均勻性，并且薄膜具有致密的微觀結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的膜基結(jié)合強度及力學性能等。
　　通過對雙脈沖電場中不同峰值靶電流密度下沉積的薄膜結(jié)構(gòu)與性能的研究發(fā)現(xiàn)，隨著峰值電流密度的增加，薄膜在近靶處與遠靶處

5、的厚度差越來越小，最小達到1.4μm，沿靶基距方向的厚度減小率也從90％降至77.8%，正反厚度比最小為1.91。通過縮短脈沖開通時間，不但峰值電流密度增加，而且單脈沖內(nèi)有足夠的停頓時間使高活性和擴散能的沉積粒子在基片表面沉積成膜。隨著靶峰值電流密度的增加，薄膜微觀形貌越來越平整致密，在峰值電流密度為1.35A/cm2時，劃痕測試臨界載荷最高達到13.7N且劃痕整體未出現(xiàn)斷裂剝落現(xiàn)象，硬度及彈性模量最大分別為5.625GPa和165.3