雙脈沖電場(chǎng)伏安特性對(duì)純Ti薄膜結(jié)構(gòu)及性能的影響.pdf

1、針對(duì)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(xué)中氣體放電伏安特性曲線中存在一強(qiáng)輝弱弧區(qū)間，探討了強(qiáng)輝弱弧區(qū)間磁控陰極電場(chǎng)模式對(duì)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(cè)的硬度等性能指標(biāo)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(chǎng)模式的演變規(guī)律，并通過對(duì)脫靶方式的調(diào)控以提高沉積粒子離化率。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)

2、度的高功率脈沖及雙脈沖電場(chǎng)將氣體放電引入強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了沉積粒子以碰撞增強(qiáng)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(chǎng)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(dǎo)致薄膜性能較差。當(dāng)采用高功率脈沖及雙脈沖電場(chǎng)時(shí)，均可獲得大于0.5A/cm2的峰值電流密度，并且根據(jù)測(cè)得的電流密度達(dá)到0.2A/cm2時(shí)氣體放電進(jìn)入反歐姆區(qū)，說明脈沖電場(chǎng)環(huán)境可將氣體放電引入強(qiáng)輝弱弧區(qū)，實(shí)現(xiàn)了由Ar+單純碰撞脫靶機(jī)制向Ar+碰撞和靶材熱發(fā)射兩種脫靶機(jī)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(chǎng)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(qiáng)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(qiáng)度及力學(xué)性能等。
　　通過對(duì)雙脈沖電場(chǎng)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(yuǎn)靶處

5、的厚度差越來越小，最小達(dá)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(shí)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(shí)間使高活性和擴(kuò)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(shí)，劃痕測(cè)試臨界載荷最高達(dá)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