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新虫 (初入文坛)

[交流] HiPIMS等离子体“稀薄效应”--新铂科技

高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)通过脉冲电源的低占空比(1-10%),得到瞬时高峰值电流,从而能够获得比常规磁控溅射高三个数量级辉光,辉光放电期间也伴随着一系列特别的现象,如“等离子体稀薄效应”。



     稀薄效应最早由Rossnagel和Hoffman[1][2]提出,在磁控溅射过程中,用气压测试探头测试靶面等离子体产生过程中气体密度下降的现象。解释这种现象是由于气体被高能碰撞原子加热所致,特别是在HiPIMS溅射过程中,高的峰值电流产生,大量的热量,使得靶面气体快速升温,膨胀稀薄化。Kadlec[3]通过Montec Carlo模拟靶面稀薄现象,如图1所示;在HiPIMS溅射过程中,在脉冲启动的几微米内,空气稀薄效应非常强,模拟得出在20us之后溅射的金属离子远远超出气体密度,而且以金属离子为主;从OES实际测量不同电流密度放电下,金属与气体粒子变化过程,如图2所示[4],证实稀薄效应存在;

(a) 探测到金属离子种类增加,随着峰值电流增加,Cr离子持续增加,而气体粒子变化不大;

(b) 电流增加,金属离子和离子持续增加;

(c) 随着电流密度继续增加到1.6Acm-2,Ar粒子信号开始下降,证实了稀薄效应存在;

(d) 峰值电流进一步增加,稀薄效应被证实,Ar离子和粒子持续下降。

图片

图1 稀薄模型模拟出在靶刻蚀区域前面随着脉冲时间变化Ar气体密度变化过程

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图2 OES探测不同电流密度下金属粒子与气体粒子变化过程

      

       HiPIMS放电中等离子体“稀薄效应”的存在,使得气体粒子和金属离子在时间上存在分离,为后续HiPIMS工艺中分离气体离子和金属离子提供可能,更加方便调控纯金属离子来制备膜层工艺。



参考文献:

[1] S.M. Rossnagel, H.R. Kaufman, J. Vac. Sci. Technol. A 5 (1987) 2276

[2] D.W. Hoffman, J. Vac. Sci. Technol. A 3 (1985) 561.

[3] S. Kadlec, Plasma Processes Polym. 4 (2007) S149.

[4] J. Alami, K. Sarakinos, G. Mark, M. Wuttig, Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 154104.
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