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(lǐng)域中，當(dāng)今的沉積技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到能夠制備高質(zhì)量薄膜的程度，比如化學(xué)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(shù)之一，采用E×B電磁交叉場(chǎng)放電，其等離子體動(dòng)力學(xué)及其對(duì)薄膜沉積過(guò)程的影響是當(dāng)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(guān)文獻(xiàn)中 HIPIMS等離子體不穩(wěn)定性已經(jīng)有較為深入的研究，揭示了其等離子體含有豐富結(jié)構(gòu)，如電離輻（spoke）、耀斑（flare）和角向非對(duì)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(méi)有被廣泛研究。吸氣材料（getter）是一種能與氣體通過(guò)化學(xué)或物理反應(yīng)而結(jié)合的活性材料，由于離子加速器腔體內(nèi)徑很小、長(zhǎng)度很長(zhǎng)，難以單一通過(guò)真空泵

3、達(dá)到其要求的超高真空（ultra high vacuum, UHV），所以在其腔內(nèi)表面沉積非蒸發(fā)吸氣材料（non-evaporative getter, NEG），經(jīng)過(guò)加熱激活后,有望在室溫下實(shí)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(nèi)徑大于10 mm的腔內(nèi)成功沉積了NEG薄膜。然而對(duì)于先進(jìn)光源升級(jí)項(xiàng)目（ALS-U）的軟 X射線（soft X-ray）衍射極限儲(chǔ)存環(huán)（DLSR），更細(xì)的光

4、束腔（內(nèi)徑小于10mm）為 NEG材料的沉積帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。在上述研究背景下，本文的主要工作是對(duì) DCMS、PMS、HiPIMS三種磁控濺射放電等離子體動(dòng)力學(xué)進(jìn)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(gè)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(xì)銅管內(nèi)表面（內(nèi)徑為6 mm）沉積NEG薄膜，這是迄今為止沉積了NEG薄膜的內(nèi)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(gè)主要低頻振蕩：（1）旋轉(zhuǎn)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(qiáng)型電荷耦合器件相機(jī)和條紋相機(jī)）、朗繆探針和粒子能量質(zhì)量分析儀。
　　旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的過(guò)渡區(qū)，且其傳播方向是由電子溫度和電離率的競(jìng)爭(zhēng)

6、平衡所決定。電離輻的運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象對(duì)薄膜沉積過(guò)程有重要影響，相關(guān)沉積參數(shù)在這一過(guò)渡區(qū)域也將發(fā)生反轉(zhuǎn)。
　　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(guān)，電離率則由中性粒子供求決定。最后用云圖總結(jié)不同氣壓和電流下的等離子體主導(dǎo)模式。
　　穩(wěn)定模式——當(dāng) HIPIMS的電流密度非常高時(shí)，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(duì)電離輻導(dǎo)致的離子能量增加進(jìn)行了離子質(zhì)譜分析，結(jié)論是，高濺射率導(dǎo)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(xì)長(zhǎng)真空管內(nèi)壁（內(nèi)徑小于10 mm）進(jìn)行了NEG薄膜沉積。
　　本文對(duì)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(dòng)絞成一根的絞線，和Ti-V-Zr合金線。并對(duì)所制備的NEG薄膜進(jìn)行了表征。例如，掃描電子顯微鏡（SEM）用于測(cè)量表面形貌，能量色散X射線光譜儀（EDX）用于表征化學(xué)成分，盧瑟福背散射能譜（RBS）用于表征化學(xué)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(jié)構(gòu)，不同條件沉積的薄膜納米結(jié)構(gòu)平均尺寸在10~100nm之間。較大