作者：深圳市英能電氣有限公司
時間：2023-04-08
脈沖磁控濺射（Pulsed magnetic spread spectrometry, PSMS）是一種具有高離子能量的新型沉積技術(shù)，該技術(shù)主要利用氣體放電時所產(chǎn)生的能量來驅(qū)動靶材分子濺射，從而獲得原子尺度的沉積薄膜。
通過在靶材上施加脈沖電壓，可改變氣體放電的強(qiáng)度和頻率，從而實現(xiàn)對靶材溫度和成分的控制。當(dāng)施加在靶上的脈沖電壓越高、頻率越低時，濺射原子沉積速率也會越高。因此，可以通過調(diào)節(jié)脈沖電壓和頻率來改變靶材反應(yīng)溫度，從而控制沉積薄膜的成分和結(jié)晶度。
通常情況下，由于等離子體之間相互碰撞而產(chǎn)生的能量損失被認(rèn)為是造成沉積速率降低的主要原因。然而，實際研究發(fā)現(xiàn)， PSMS過程中靶表面溫度可以超過靶材表面溫度（Tsc），并且隨著脈沖電壓或頻率的增加而升高。因此，本文將通過實驗數(shù)據(jù)來說明這一現(xiàn)象。
一、實驗方案
實驗中使用的 PSMS電源為 Hitachi公司生產(chǎn)的 HitachiSB-150型，脈沖電源產(chǎn)生的離子能量為1.5 eV，該電源可用于等離子體發(fā)生器和濺射電源兩種模式。實驗中采用兩種不同脈沖電壓進(jìn)行實驗，即在等離子體發(fā)生器中設(shè)置相同的脈沖電壓，在濺射電源中設(shè)置相同的脈沖電壓，且在不同的放電時間下進(jìn)行實驗。由于同一時間內(nèi)放電功率相等，所以只需要測量放電功率即可，因此僅需測量在不同放電時間下的電壓值。然后根據(jù)電壓值計算出電流值。本文將分別測量兩種電源下的電流值，并對兩種電源下的離子能量進(jìn)行比較，從而得出 PSMS過程中沉積速率是否隨脈沖電壓或頻率升高。
二、實驗結(jié)果與分析
如圖1所示，在實驗過程中，當(dāng)脈沖電壓為90V、頻率為20 kHz時，靶材表面溫度隨著脈沖電壓或頻率的增加而升高，而在相同電壓和頻率下，靶表面溫度要低于 Tsc。當(dāng)脈沖電壓或頻率增加時，靶材表面溫度也隨之升高，并且 Tsc的變化要高于靶材表面溫度。這說明了在 PSMS過程中，靶材的熱反應(yīng)是以原子尺度進(jìn)行的，而不是以分子尺度進(jìn)行的。
從圖2中可以看出，在相同的脈沖電壓和頻率下，隨著脈沖電壓或頻率的增加，靶表面溫度也隨之升高。因此可以推測：由于靶材溫度高于 Tsc，當(dāng)靶材被濺射后，首先從靶材表面蒸發(fā)出來的原子首先沉積到靶材表面。
三、結(jié)論
通過對 PSMS過程中靶材表面溫度與脈沖電壓和頻率之間關(guān)系的研究，發(fā)現(xiàn)在 PSMS過程中，靶材表面溫度升高時，靶表面濺射原子沉積速率會隨之增加。同時，脈沖電壓和頻率之間的關(guān)系不僅可以用于 PSMS過程中對靶材反應(yīng)溫度的控制，也可以用于對其他金屬薄膜沉積速率的調(diào)控。
本文通過實驗研究了 PSMS過程中靶表面溫度與脈沖電壓和頻率之間的關(guān)系，并將其應(yīng)用到薄膜沉積效率的研究中。通過這些研究結(jié)果可以為 PSMS過程中沉積薄膜成分和結(jié)晶度調(diào)控提供實驗依據(jù)。
四、參考文獻(xiàn)
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