复合脉冲磁控溅射放电特性及数值仿真研究

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1、硕士学位论文复合脉冲磁控溅射放电特性及数值仿真研究STUDYONCOMPOSITEPULSEMAGNETRONSUPTTERRINGDISCHARGECHARACTERISTICANDNUMERICALSIMULATION蔡明哲哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TB331学校代码：10213国际图书分类号：621.785密级：公开工学硕士学位论文复合脉冲磁控溅射放电特性及数值仿真研究硕士研究生：蔡明哲导师：巩春志申请学位：工学硕士学科：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2015年7

2、月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB331U.D.C:621.785ThesisfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYONCOMPOSITEPULSEMAGNETRONSPUTTERINGDISCHARGECHARACTERISTICANDNUMERICALSIMULATIONCandidate：CaiMingzheSupervisor：GongChunzhiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineerin

3、gSpecialty：MaterialsProcessingEngineeringSchoolofMaterialsScienceAffiliation：andEngineeringDateofDefence：July,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要高功率磁控溅射技术是一种优质的镀膜方法，具有离化率高、瞬时功率大以及膜层性能良好等优点，受到科研及工业领域的广泛关注。然而由于高功率磁控

4、溅射平均功率小，膜层沉积速率低，在工业应用中受到了限制。针对高功率磁控溅射沉积速率低的问题，本文提出了一种复合脉冲磁控溅射新方法，该方法采取两路脉冲耦合的方式，使用电压高脉宽小的引燃脉冲离化气体，电压低脉宽长的工作脉冲维持等离子体放电，从而在获得高密度等离子体的同时，维持较高的平均功率。使用Particle-in-Cell/MonteCarlo模型对复合脉冲放电过程进行数值仿真，研究放电过程等离子体动力学及放电波形形成机制。结果表明，等离子体分布受到空间电磁场的共同作用，空间等离子体的不均匀分布又会对空间电

5、场造成影响。在磁控溅射放电过程中，空间电势逐渐升高，出现电势梯度较大的阴极鞘层区域和等离子体浓度较大的离化区域。靶材电压越高，离化气体能力越强，产生等离子体数目越多，离子能量越高，靶材电流也越大。对于复合脉冲，空间电势与等离子体浓度分布于单脉冲相似，引燃脉冲关断后一段时间内工作脉冲能够有效维持较高的等离子体浓度和电流密度，而空间离子能量则会随着电压的降低而降低。使用FPGA作为核心控制器，触摸屏作为人机交互，研制了复合脉冲电源。两路脉冲电压、脉宽和频率可独立调节，相对相位关系可灵活设定，并具备过流保护降电压

6、的功能，保护电源在真空室安全工作，具有参数设定灵活、操作界面友好的特点。使用水负载对电源功能进行测试，设定不同脉冲参数，采集电压电流波形，验证电源不同波形的实现，并获得电源电压电流输出特性。结果表明水负载中，电流和电压成正比例对应关系。对复合脉冲电源在真空室使用Cr靶进行放电测试，与水负载中电流电压线性相关不同，由于真空室内等离子体负载非线性的特征，电流波形较为复杂。当电压为方波时，电流波形接近三角形或扇形。对于复合脉冲，在引燃脉冲阶段电流迅速上升，峰值电流与电压和脉宽相关，引燃脉冲关断后电流下降，下降速率

7、与工作脉冲电压相关。结果表明，使用复合脉冲模式，在引燃脉冲阶段能够获得较高峰值电流，在工作脉冲阶段维持放电电流，与单脉冲相比平均电流明显提高。关键词：磁控溅射；复合脉冲；放电特性；数值仿真-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractHighPowerImpluseMagenetronSputtering(HiPIMS)isawidelyusedcoatingtechnology,featuringhighionizationrate,instantaneoushighpowerdensityandh

8、igh-qualitycoatings,anddrawsattentionfrombothacademicandindustrialfieldsinrecentdecades.However,duetoitslowaveragepower,coatingdepositionratesarerelativelylow,whichrestrictsitsindustrialapplications.Toimprove