碎片化高功率脉冲磁控溅射技术对沉积率提高作用的实验与模拟研究

High power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) has been widely used in depositing and modifying novel thin film, composite thin film, high performance functional film and so on due to its unique advantages. However, the low deposition rate when compared to direct current magnetron sputtering (DCMS) seriously hinders its applications. This project uses improved HiPIMS, i.e. chopped-HiPIMS, to improve the deposition rate of metal films by simply chopping one single long pulse into multiple micro-pulses. Then the results will be compared with the deposition rates of film preparation by traditional HiPIMS and DCMS. Also, the ionization region model (IRM) is employed to simulate the discharge processes, to theoretically analyze the plasma parameters important to the improvement of the deposition rate, to explain the reasons of the corresponding improvements, and to further propose the rationally theoretical system. This project will lay a foundation for industrial extension and applications of HiPIMS that will plays a great role in the deposition of novel thin films, composite thin films, high-performance functional thin films, etc.

由于在制备薄膜材料上所体现出来的独特优势，高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）技术在新型薄膜材料、复合薄膜材料、高性能功能薄膜材料的制备和性能改进中得到广泛应用和重视。但其与直流磁控溅射（DCMS）技术相比较而言，目前较低的沉积率限制了它在工业上的应用。本申请拟利用改进的HiPIMS技术，即碎片化高功率脉冲磁控溅射（c-HiPIMS）技术，通过简单改变HiPIMS脉冲形态，也就是将长脉冲碎化为一系列微脉冲的方式，来提高金属薄膜的沉积率，并将所得结果与传统的HiPIMS和DCMS所制备薄膜的沉积率进行对比。同时利用电离区域模型（IRM）模拟放电过程，理论分析对沉积率提高起到重要作用的等离子体参数，揭示沉积率提高的内在原因，并尝试提出科学合理的理论体系。本项目的研究将为HiPIMS在工业上的推广应用奠定基础，使其能够在新型薄膜材料、复合薄膜材料、高性能功能薄膜材料的制备中发挥更大的作用。

高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术具有高峰值、低平均功率密度和溅射粒子电离率非常高的特点，有利于增加薄膜附着力、硬度、摩擦磨损性能等，可广泛应用于纳米复合物、硬质薄膜、电子产品的功能薄膜或复杂表面的薄膜沉积上。但在相同的平均功率下，HiPIMS的沉积率却普遍低于直流磁控溅射(DCMS)技术的沉积率。这明显限制了该技术在工业上的应用，成为它的一大发展瓶颈。目前已有很多针对HiPIMS沉积率较低这一缺陷的改进技术。其中，碎片化高功率脉冲磁控溅射(c-HiPIMS)通过调节脉冲序列可以显著提高钛金属的沉积率(150%)。但微脉冲的加入，为本来就很复杂的实验系统增加了更多的影响因素。本项目在大量实验数据基础上，建立了电离区域模型(IRM)。首先模拟了一系列c-HiPIMS脉冲放电过程，从定量的角度分析了这一复杂的放电过程。不管是总体变化趋势还是数值大小，模型模拟的电流与实验电流的误差都不会超过±10%。计算发现首个微脉冲开始后，产生离子需要经历一定时间的碰撞电离等过程，从而使电流增加缓慢；而短暂停顿后再次开始的微脉冲，则在前一个微脉冲结束后残留带电粒子的作用下迅速产生更多的离子，加快了电流增长。在微脉冲(25和50μs)放电中，气体维持的放电为主要放电机制，未能实现金属自溅射放电或自溅射自维持的放电机制。在微脉冲开阶段流向衬底的离子流量占总流量比例非常低，因为此时大部分的离子都在电场束缚下向靶材运动。而在微脉冲关阶段，电压为零，离子就不受此约束，可以更多的向衬底运动，从而有利于沉积率的增加。短的微脉冲开时间(25μs)和长的微脉冲关时间(250μs)更有利于沉积率的增加，该计算结果与实验结果相互验证。又针对DCMS、HiPIMS、c-HiPIMS三种不同放电模式建立了相应的IRM模型，利用计算结果对比分析了不同模式下的放电机制，粒子时空变化趋势，以及沉积率不同的原因。