复合高功率脉冲磁控溅射Ti的放电特性及薄膜制备<sup>*</sup>

doi:10.3724/SP.J.1037.2013.00744

金属学报

2014, Vol. 50

Issue (7): 879-885 DOI: 10.3724/SP.J.1037.2013.00744

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复合高功率脉冲磁控溅射Ti的放电特性及薄膜制备^*

李小婵^1,², 柯培玲¹(

), 刘新才³, 汪爱英¹

1 中国科学院宁波材料技术与工程研究所, 中国科学院海洋新材料与应用技术重点实验室, 宁波 315201
2 宁波大学理学院, 宁波 315211
3 宁波大学材料科学与化学工程学院, 宁波 315211

DISCHARGE CHARACTERISTICS OF Ti AND FILM PREPARATION USING HYBRID HIGH POWER IMPULSE MAGNETRON SPUTTERING

LI Xiaochan^1,², KE Peiling¹(

), LIU Xincai³, WANG Aiying¹

1 Key Laboratory of Marine Materials and Related Technologies, Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 3152012) Faculty
of Science, Ningbo University, Ningbo 3152113) School of Materials Science and Chemical Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211

引用本文:

李小婵, 柯培玲, 刘新才, 汪爱英. 复合高功率脉冲磁控溅射Ti的放电特性及薄膜制备^*[J]. 金属学报, 2014, 50(7): 879-885.
Xiaochan LI, Peiling KE, Xincai LIU, Aiying WANG. DISCHARGE CHARACTERISTICS OF Ti AND FILM PREPARATION USING HYBRID HIGH POWER IMPULSE MAGNETRON SPUTTERING[J]. Acta Metall Sin, 2014, 50(7): 879-885.

全文: PDF(1801 KB) HTML

摘要:

采用高功率脉冲磁控溅射与直流磁控溅射并联的复合高功率脉冲磁控溅射技术, 研究直流磁控溅射部分耦合直流电流变化对Ti靶在Ar气氛中放电及等离子体特性的影响. 采用表面轮廓仪、扫描探针显微镜、X射线衍射与纳米压痕仪对Ti薄膜厚度、结构特征以及力学性能进行表征. 结果表明: 耦合直流电流增加, 靶平均功率增加, 脉冲作用期间靶电流降低, 等离子体电子密度增加; 在耦合直流电流为2.0 A时, 等离子体电子密度和电子温度获得较大值, 分别为2.98 V和0.93 eV; 耦合直流电流增加, Ti薄膜沉积速率近似线性增加, 粗糙度增加, 硬度和弹性模量略有降低; 相同靶平均功率时, 采用复合高功率脉冲磁控溅射技术制备Ti薄膜与采用传统直流磁控溅射技术相比, 沉积速率相当; 靶平均功率650 W时复合高功率脉冲磁控溅射所制Ti薄膜比传统直流磁控溅射所制Ti薄膜更加光滑, 平均粗糙度降低1.32 nm, 力学性能更加优异, 硬度提高2.68 GPa.

关键词 ：复合高功率脉冲磁控溅射, 直流, 放电特性, Ti薄膜

Abstract：

Hybrid high power impulse magnetron sputtering (HIPIMS) is a new-generation HIPIMS technique with a pulse and dirrect current power supply parallelled connection operation. In this work, the influence of dirrect current from 0 to 4.0 A supplied by the dirrect current power is investigated on hybrid HIPIMS Ti discharge characteristics, plasma parameters (plasma potential, electron temperature and electron density) and Ti film properties in an Ar atmosphere. The results show that target voltage and current are characterized by a peak with variation of time in different dirrect currents. Although the target voltage is barely affected, the target current decreases with increasing the dirrect current during the pulse turn-on stage. The plasma parameters determined by a Langmuir probe have been significantly influenced by the dirrect current. Moreover, the deposition rate and average roughness increase while the hardness and elastic modulus have a slight decrease with the variation of dirrect current from 1.0 to 3.0 A. The samples are selected for comparison with that prepared by conventional direct current magnetron sputtering (DCMS) at the same average target power 650 and 1500 W. The results demonstrate that Ti films using hybrid HIPIMS have a close deposition rate and a superior quality and performance to those prepared using DCMS especially at the low target power 650 W when the direct current is 1.0 A.

Key words： hybrid high power impulse megnetron sputtering dirrect current discharge charicteristics Ti film

收稿日期: 2013-11-19

ZTFLH:

TB751

基金资助:* 国家重点基础研究发展计划项目2013CB632302, 国家自然科学基金项目51375475和宁波市创新团队项目2011B81001资助

作者简介: null

李小婵, 女, 1988年生, 硕士

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图1 复合高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)设备原理图

图2 Langmuir探针伏安特性曲线

图3 耦合直流电流对Ti靶电压与电流的影响

图4 耦合直流电流对等离子体参数的影响

图5 耦合直流电流对基体电流的影响

图6 不同耦合直流电流与靶平均功率时采用复合HIPIMS与传统DCMS技术制备的Ti薄膜沉积速率

图7 不同耦合直流电流与靶平均功率时采用复合HIPIMS与传统DCMS技术制备的Ti薄膜表面形貌

图8 不同耦合直流电流与靶平均功率时采用复合HIPIMS与传统DCMS技术制备的Ti薄膜平均粗糙度

图9 不同耦合直流电流与靶平均功率时采用复合HIPIMS与传统DCMS技术制备的Ti薄膜XRD谱

图10 不同耦合直流电流与靶平均功率时采用复合HIPIMS与传统DCMS技术制备的Ti薄膜硬度和弹性模量

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