一种直流耦合型高能脉冲磁控溅射方法技术

本发明专利技术公开了一种直流耦合型高能脉冲磁控溅射镀膜方法，所述方法包括在高能脉冲磁控溅射电压中耦合入低直流电压，构成磁控溅射耦合电压；由恒定低电压提供稳定的低离化率等离子体，提高薄膜的沉积速率，而高能脉冲电压，实现等离子体的瞬时高离化；协调耦合电压的工作时序，在直流恒压确定的情况下，调控脉冲高压的峰值、频率及占空比，改变耦合电压的脉冲波形，实现对沉积速率和离化率的调整与控制。本发明专利技术预置了直流电压，有效降低了脉冲电流迟滞时间；耦合入稳定的直流磁控溅射，有效保证了薄膜沉积速率；建立了一种等离子体离化率可调的HIPIMS磁控溅射技术，为相关科学的研究提供了技术支持。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种直流耦合型高能脉冲磁控溅射(HIPIMS)镀膜方法，在获得高离化率等离子体的同时可降低等离子体辉光滞后时间，并实现离化率可控。
技术介绍
磁控溅射作为一项极具优势的物理气相沉积技术，在微电子、光学薄膜及材料表面处理等多个领域获得了广泛应用。但由于离化率较低，这种技术在提高薄膜质量方面也存在一定的局限性，表现为薄膜结构的疏松多孔和较差的膜基结合力。提高等离子体离化率，增加成膜过程的可控性一直是表面领域工程应用的重大需求。高能脉冲磁控溅射(HIPIMS)就是在这种背景下发展起来的新型表面改性技术，是表面工程研究30年历史上最有意义的突破，对现代薄膜制备与精确控制的发展具有巨大的推动作用。在HIPIMS中,高能量的脉冲作用可以使磁控靶周围的电子密度达到1019m-3，电子的高密度增加了溅射原子与高能电子的电离碰撞几率，由此获得了高离化的溅射材料粒子，可将金属等离子体的离化率由5％提高到80％以上。由于控制和影响入射粒子荷能状态和空间分布的手段主要是电、磁场，因此，提高等离子体离化率，使中性不可控粒子转变为离子，将有利于人为干预成膜过程，而获得高品质薄膜。传统的直流磁控溅射受磁控靶发热融化的限制，只能工作在25 W/cm2能量密度以下。而作为HIPIMS系统核心的高能脉冲则可以在磁控靶上提供1000～3000 W/cm2的峰值能量密度，瞬间功率即可达到兆瓦级，但其频率低，占空比小，平均功率只有几十千瓦，不会对磁控靶造成损坏。但在标准HIPIMS电源的放电过程中，磁控电流上升与电压脉冲难以同步，尤其在低气压情况下，同一溅射脉冲里高离化率等离子体辉光的产生时间较电压滞后达几十微秒(如图1)。另外，与常规磁控溅射相比，HIPIMS相同平均功率下的沉积速率较低，主要是因为高离化率下，大量溅射材料离子被吸回到阴极，而未到达基体表面。因此，既能获得高离化率的等离子体，又不损害薄膜的沉积速率是HIPIMS技术的发展趋势。
技术实现思路
本专利技术是基于以上背景而开发，其目的是在HIPIMS放电过程中降低电流脉冲迟滞时间，在保证薄膜沉积速率的同时，建立一种等离子体离化率可控的HIPIMS磁控溅射镀膜方法。为了实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种直流耦合型高能脉冲磁控溅射镀膜方法，所述方法包括在高能脉冲磁控溅射电压中耦合入低直流电压，构成磁控溅射耦合电压；通过协调耦合电压的工作时序，在直流恒压确定的情况下，调控脉冲高压的峰值、频率及占空比，改变耦合电压的脉冲波形，实现对沉积速率和离化率的调整与控制。进一步地，由恒定低电压提供稳定的低离化率等离子体，提高薄膜的沉积速率；而高能脉冲电压，实现等离子体的瞬时高离化。进一步地，预置恒定直流低电压，对磁控靶起到预起辉作用，有效降低低气压下耦合脉冲的电流迟滞时间。进一步地，通过改变直流低电压值，实现对薄膜沉积速率的调控。进一步地，通过改变高能脉冲电压的峰值、频率及占空比等，实现对等离子体离化率的调控。本专利技术的有益效果为：1)预置直流电压，有效降低了脉冲电流迟滞时间；2)耦合入稳定的直流磁控溅射，有效保证了薄膜沉积速率；3)建立一种等离子体离化率可调的HIPIMS磁控溅射技术，为相关科学的研究提供了技术支持。附图说明图1是典型高能脉冲磁控溅射电源的放电特性曲线；图2是直流耦合型高能脉冲磁控溅射靶电压工作模式；图3是直流耦合型高能脉冲磁控溅射电源的放电特性曲线；图4是实施例1-2的Ti等离子体典型发射光谱图；图5是实施例3-5的Ti等离子体典型发射光谱图；图6是实施例3、6-7的Ti等离子体典型发射光谱图；图7是实施例1-7中制得的Ti薄膜生长速率结果图；图8是实施例1-7中Ti等离子体离化率结果图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术公开的直流耦合型高能脉冲磁控溅射(HIPIMS)镀膜方法的具体实施方式做详细说明。本专利技术提供了一种工作在磁控溅射耦合电压模式下，等离子体离化率可调的HIPIMS磁控溅射技术。需要指出的是，以下所述实施例在便于对本专利技术的理解，而对其不起任何限定作用。作为实现上述目的的手段，在高功率脉冲磁控溅射电压中耦合入低直流电压，构成磁控溅射耦合电压。采用PLC(可编程逻辑控制器)作为中央控制单元，通过协调系统开关的工作时序来调控耦合脉冲电压的峰值、频率及占空比等，实现对沉积速率和离化率的调整与控制。本专利技术提供的磁控溅射耦合电压工作模式，如图2所示。其中预置的恒定直流低电压对磁控靶起到预起辉的作用，使低气压下的耦合脉冲电流滞后时间降低至十微秒以下(如图3)，与图1中现有技术的电流脉冲迟滞时间相比，明显加快了脉冲电流的上升速度。另外，图2的耦合电压波形中，低电压直流电源为磁控靶提供了常规的直流磁控溅射电流，可以获得稳定的低离化率等离子体，以保证薄膜的沉积速度。而在PLC协调控制下紧接着的HIPIMS高压脉冲，实现等离子体的瞬时高离化。通过调整脉冲和直流磁控溅射的功率比，即在直流恒压确定的情况下，调控脉冲高压的峰值、频率及占空比，改变耦合电源的脉冲波形，实现对沉积速率和离化率的调整与控制。以溅射金属Ti薄膜为例，开展如下实施例：直流低压的范围为0～1000V，峰值功率8KW。高能脉冲的峰值电压为2000V，脉冲频率为5HZ～200HZ，占空比为0.1％～1％。实施例1：本实施例中，采用常规直流磁控溅射方法制备金属Ti薄膜。制备条件为：极限真空1×10-3Pa，工作气压0.5Pa，直流电压400V，靶基距10cm，沉积时间60min。实施例2：本实施例中，采用高能脉冲磁控溅射方法制备金属Ti薄膜。制备条件为：极限真空1×10-3Pa，工作气压0.5Pa，高能脉冲峰值电压800V，脉冲频率100HZ，占空比1％，靶基距10cm，沉积时间60min。实施例1-2制备过程中Ti等离子体的典型发射光谱图如图4所示。由图4可以看出，采用直流磁控溅射方法获得的Ti等离子体中，Ti原子占主要部分，只有少量的Ti+离子。而采用高能脉冲磁控溅射方法获得的Ti等离子体中，Ti+离子所占的比例有显著增加，获得了高离化的金属等离子体。实施例3：本实施例中，采用直流耦合型高能脉冲磁控溅射方法制备金属Ti薄膜。制备条件为：极限真空1×10-3Pa，工作气压0.5Pa，直流电压400V，高能脉冲峰本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流耦合型高能脉冲磁控溅射镀膜方法，所述方法包括在高能脉冲磁控溅射电压中耦合入低直流电压，构成磁控溅射耦合电压；通过协调耦合电压的工作时序，在直流恒压确定的情况下，调控脉冲高压的峰值、频率及占空比，改变耦合电压的脉冲波形，实现对沉积速率和离化率的调整与控制。

【技术特征摘要】
1.一种直流耦合型高能脉冲磁控溅射镀膜方法，所述方法包括在高能脉
冲磁控溅射电压中耦合入低直流电压，构成磁控溅射耦合电压；通过协调耦
合电压的工作时序，在直流恒压确定的情况下，调控脉冲高压的峰值、频率
及占空比，改变耦合电压的脉冲波形，实现对沉积速率和离化率的调整与控
制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由恒定低电压提供稳定
的低离化率等离子体，提高薄膜的沉积速率；高能脉冲...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏原，高方圆，李光，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11