- 必威体育下载

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

摘要

基于高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术开发的筒形溅射阴极, 配合电磁系统可有效地提升等离子体的输运效率. 然而电磁系统的引入反作用于筒内放电特性, 从而使靶面放电面积和放电强度无法同时维持. 鉴于此, 本文通过调整磁场布局, 研究了靶面切向(横向)磁场和法向(纵向)磁场对靶面放电的作用规律, 优化后靶面切向磁场分布更加均匀, 磁场强度高于40 mT的靶面区域占比由51%增至67%, 同时法向峰值强度外移, 强度由73 mT增至96 mT. 采用Ar/Cr体系放电发现：相同工艺条件下, 优化后的溅射阴极辉光变亮, 靶电流增大, 放电面积变宽, 放电特性得到显著提升. 利用等离子体整体模型仿真和发射光谱仪检测发现优化后离子电流和光谱强度得到明显提升, Cr粒子密度提高一倍, 增至2.6 × 10 ²⁰m ^–3, 且离化率上升至92.1%, 同时输出离子通量提高近一倍, 实现了靶面放电与离子输出的双促进.

关键词:

Abstract

High-power pulsed magnetron sputtering (HiPIMS) can produce high density and high adhesion coatings due to the high ionization. However, industrial application of HiPIMS is limited because of the unstable discharge and small deposition rate. A cylindrical cathode, developed on the basis of hollow cathode effect, can improve the discharge stability. With the development of electromagnetic systems, the plasma transport is improved, and thus increasing the deposition rate significantly. However, the introduction of electromagnetic system leads the strong discharge and large etching area on the target to be incompatibly controlled. In this work, the distribution of the tangential and longitudinal magnetic field on the target surface are improved by adding external magnets, and their effects on the plasma discharge are studied. By optimizing the magnets, the tangential magnetic field on the target surface becomes stronger and more uniform. Meanwhile, the peak of the longitudinal magnetic field increases from 73 to 96 mT and the peak location expands to two-sides of the cathode. The simulation result shows that the target etching area described by the proportion of the target area with the tangential magnetic field intensity higher than 40 mT increases from 51% to 67%, and the HiPIMS discharge studied by the particle in cell/Monte Carlo collision (PIC/MCC) method and plasma global model shows that the ion current and spectral intensity are significantly enhanced, exhibiting a doubled Cr density of 2.6 × 10 ²⁰m ^–3and an increased ionization from 90% to 92.1%. The practical Ar/Cr HiPIMS discharge is carried out separately with the original and optimized cylindrical cathode, and the results reveal that the brightness of plasma glow, the target current and the etching area all increase after the improvement. Furthermore, the ion current and the optical emission spectrum suggest that the flux of ions arriving at the substrate is approximately doubled, which means that an about doubled deposition rate of the optimized cathode is achievable.

Keywords:

high power impulse magnetron sputtering/
electromagnetic coordination/
discharge enhancement/
transport efficiency

作者及机构信息

1.
2.

通信作者:吴忠振,wuzz@pkusz.edu.cn

基金项目:博士后创新人才支持计划(批准号: BX20190001)、香港城市大学策略研究基金(批准号: 7005264)和粤港科技合作资助计划(TCFS)(批准号: GHP/085/18SZ)资助的课题.

Authors and contacts

1.
2.

Corresponding author:Wu Zhong-Zhen,wuzz@pkusz.edu.cn

Funds:Project supported by the Postdoctoral Innovative Talent Support Program, China (Grant No. BX20190001), City University of Hong Kong Strategic Research Grant (SRG) (Grant No. 7005264), and Guangdong-Hong Kong Technology Cooperation Funding Scheme (TCFS) (Grant No. GHP/085/18SZ).

文章全文: translate this paragraph

参考文献

[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
[28]
[29]
[30]
[31]
[32]

施引文献

下载: 全尺寸图片幻灯片

反应方程式	反应能量/eV	反应类型
${{{\rm e}}} + {{\rm Ar}} \to {{\rm Ar}} + {{{\rm e}}}$	—	弹性
${{{\rm e}}} + {{\rm Ar}} \to {{\rm A}}{{{\rm r}}^ + } + 2{{{\rm e}}}$	15.76	电离
${{{\rm e}}} + {{\rm Ar}} \to {{\rm A}}{{{\rm r}}^m} + {{{\rm e}}}$	11.56	激发
${{{\rm e}}} + {\operatorname{Ar} ^m} \to {{\rm Ar}} + {{{\rm e}}}$	–11.56	退激发
${{{\rm e}}} + {{\rm A}}{{{\rm r}}^m} \to {{\rm A}}{{{\rm r}}^ + } + 2{{{\rm e}}}$	4.2	电离
${{\rm A}}{{{\rm r}}^ + } + {{\rm Ar}} \to {{\rm A}}{{{\rm r}}^ + } + {{\rm Ar}}$	—	弹性
${{\rm A}}{{{\rm r}}^ + } + {{\rm Ar}} \to {{\rm Ar}} + {{\rm A}}{{{\rm r}}^ + }$	—	电荷交换

下载: 导出CSV

[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
[28]
[29]
[30]
[31]
[32]

[1]	高剑英, 李玉阁, 雷明凯.深振荡磁控溅射放电等离子体脉冲特性. 必威体育下载 , 2024, 73(16): 165201.doi:10.7498/aps.73.20240364
[2]	张天成, 陈迪娜, 李春雨, 张利民, 徐祖银, 成爱强, 包华广, 丁大志.GaN基高功率微波器件高效场路协同分析方法. 必威体育下载 , 2023, 72(14): 147101.doi:10.7498/aps.72.20230452
[3]	谢冰鸿, 徐国凯, 肖绍球, 喻忠军, 朱大立.非线性磁电换能器模型的谐振磁电效应分析及其输出功率优化. 必威体育下载 , 2023, 72(11): 117501.doi:10.7498/aps.72.20222277
[4]	陈畅子, 马东林, 李延涛, 冷永祥.高功率脉冲磁控溅射钛靶材的放电模型及等离子特性. 必威体育下载 , 2021, 70(18): 180701.doi:10.7498/aps.70.20202050
[5]	沈永青, 张志强, 廖斌, 吴先映, 张旭, 华青松, 鲍曼雨.高功率脉冲磁控溅射技术制备掺氮类金刚石薄膜的磨蚀性能. 必威体育下载 , 2020, 69(10): 108101.doi:10.7498/aps.69.20200021
[6]	崔岁寒, 吴忠振, 肖舒, 陈磊, 李体军, 刘亮亮, 傅劲裕, 田修波, 朱剑豪, 谭文长.外扩型电磁场控制筒形阴极内等离子体放电输运特性的仿真研究. 必威体育下载 , 2019, 68(19): 195204.doi:10.7498/aps.68.20190583
[7]	汪天龙, 邱清泉, 靖立伟, 张小波.圆形复合式磁控溅射阴极设计及其放电特性模拟研究. 必威体育下载 , 2018, 67(7): 070703.doi:10.7498/aps.67.20172576
[8]	崔岁寒, 吴忠振, 肖舒, 刘亮亮, 郑博聪, 林海, 傅劲裕, 田修波, 朱剑豪, 谭文长, 潘锋.筒内高功率脉冲磁控放电的电磁控制与优化. 必威体育下载 , 2017, 66(9): 095203.doi:10.7498/aps.66.095203
[9]	肖舒, 吴忠振, 崔岁寒, 刘亮亮, 郑博聪, 林海, 傅劲裕, 田修波, 潘锋, 朱剑豪.筒形高功率脉冲磁控溅射源的开发与放电特性. 必威体育下载 , 2016, 65(18): 185202.doi:10.7498/aps.65.185202
[10]	郑世燕.以广义Redlich-Kwong气体为工质的不可逆回热式斯特林热机循环输出功率和效率. 必威体育下载 , 2014, 63(17): 170508.doi:10.7498/aps.63.170508
[11]	吴忠振, 田修波, 李春伟, Ricky K. Y. Fu, 潘锋, 朱剑豪.高功率脉冲磁控溅射的阶段性放电特征. 必威体育下载 , 2014, 63(17): 175201.doi:10.7498/aps.63.175201
[12]	吴忠振, 田修波, 潘锋, Ricky K. Y. Fu, 朱剑豪.高压耦合高功率脉冲磁控溅射的增强放电效应. 必威体育下载 , 2014, 63(18): 185207.doi:10.7498/aps.63.185207
[13]	谢辰, 胡明列, 徐宗伟, 兀伟, 高海峰, 张大鹏, 秦鹏, 王艺森, 王清月.光纤激光器直接输出的高功率贝塞尔超短脉冲. 必威体育下载 , 2013, 62(6): 064203.doi:10.7498/aps.62.064203
[14]	沈向前, 谢泉, 肖清泉, 陈茜, 丰云.磁控溅射辉光放电特性的模拟研究. 必威体育下载 , 2012, 61(16): 165101.doi:10.7498/aps.61.165101
[15]	王淦平, 向飞, 谭杰, 曹绍云, 罗敏, 康强, 常安碧.长脉冲高功率微波驱动源放电过程研究. 必威体育下载 , 2011, 60(7): 072901.doi:10.7498/aps.60.072901
[16]	牟宗信, 牟晓东, 王春, 贾莉, 董闯.直流电源耦合高功率脉冲非平衡磁控溅射电离特性. 必威体育下载 , 2011, 60(1): 015204.doi:10.7498/aps.60.015204
[17]	刘艳格, 张春书, 孙婷婷, 鲁云飞, 王志, 袁树忠, 开桂云, 董孝义.输出平均功率大于2W的高功率、包层抽运、超短脉冲铒镱共掺光纤激光器. 必威体育下载 , 2006, 55(9): 4679-4685.doi:10.7498/aps.55.4679
[18]	阎明朗, 王亦中, 赖武彦.磁控溅射Fe/Mo多层膜的巨磁电阻及层间耦合. 必威体育下载 , 1995, 44(9): 1504-1508.doi:10.7498/aps.44.1504
[19]	陈建文, 傅淑芬, 刘妙宏.高功率、高效率放电激励XeBr激光器. 必威体育下载 , 1980, 29(6): 799-802.doi:10.7498/aps.29.799
[20]	张遵逵, 叶茂福.无极脉冲放电激光器激发光源及其受激光输出特性的观察. 必威体育下载 , 1966, 22(2): 174-182.doi:10.7498/aps.22.174

计量

文章访问数:6064
PDF下载量:134
被引次数:0

搜索

留言板