磁控溅射放电等离子体与非蒸发型吸气薄膜

摘要

在新材料研究前沿领域中，当今的沉积技术已经发展到能够制备高质量薄膜的程度，比如化学气相沉积（chemical vapor deposition, CVD）和物理气相沉积（physical vapor deposition, PVD）。磁控溅射作为最重要的PVD技术之一，采用E×B电磁交叉场放电，其等离子体动力学及其对薄膜沉积过程的影响是当今科研的重要课题之一。
　　磁控溅射可以分类为低功率密度的直流磁控溅射（DCMS）、处于中等功率密度的脉冲磁控溅射（PMS），和高功率密度的高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）。目前相关文献中 HIPIMS等离子体不稳定性已经有较为深入的研究，揭示了其等离子体含有丰富结构，如电离辐（spoke）、耀斑（flare）和角向非对称带电粒子喷流等。然而，DCMS和 PMS中的等离子体不稳定性并没有被广泛研究。吸气材料（getter）是一种能与气体通过化学或物理反应而结合的活性材料，由于离子加速器腔体内径很小、长度很长，难以单一通过真空泵达到其要求的超高真空（ultra high vacuum, UHV），所以在其腔内表面沉积非蒸发吸气材料（non-evaporative getter, NEG），经过加热激活后,有望在室温下实现10-9~10-12 Torr的超高真空（UHV）。目前欧洲核子研究中心（CERN）已在内径大于10 mm的腔内成功沉积了NEG薄膜。然而对于先进光源升级项目（ALS-U）的软 X射线（soft X-ray）衍射极限储存环（DLSR），更细的光束腔（内径小于10mm）为 NEG材料的沉积带来了极大的挑战。在上述研究背景下，本文的主要工作是对 DCMS、PMS、HiPIMS三种磁控溅射放电等离子体动力学进行全面系统研究，综合所有放电条件（气压、功率等）给出一个等离子体行为模式的宏观图。然后利用其中有利的普适放电理论，采用脉冲溅射在细铜管内表面（内径为6 mm）沉积NEG薄膜，这是迄今为止沉积了NEG薄膜的内径最小的真空腔。
　　在本文的第一部分，主要研究了磁控溅射等离子体中存在的两个主要低频振荡：（1）旋转电离辐振荡，其传播方向沿着靶材刻蚀轨道（racetrack）方向，也称作角向（azimuthally）；（2）呼吸振荡，其传播方向沿着靶轴线方向（axially）。研究方法是快速成像（增强型电荷耦合器件相机和条纹相机）、朗缪探针和粒子能量质量分析仪。
　　旋转电离辐振荡——在电流密度介于DCMS和HIPIMS之间的PMS中，发现了电离辐传播方向反转的过渡区，且其传播方向是由电子温度和电离率的竞争平衡所决定。电离辐的运动反转现象对薄膜沉积过程有重要影响，相关沉积参数在这一过渡区域也将发生反转。
　　呼吸振荡——在磁控溅射中发现了等离子轴向的整体振荡，其特征频率在10~100 kHz之间。呼吸振荡尤其在低气压、低电流的条件下更加显著。等离子体轴向变化与电离率相关，电离率则由中性粒子供求决定。最后用云图总结不同气压和电流下的等离子体主导模式。
　　稳定模式——当 HIPIMS的电流密度非常高时，高溅射率靶材的电离辐将角向合并变成角向均匀等离子体环，振荡消失。对电离辐导致的离子能量增加进行了离子质谱分析，结论是，高溅射率导致靶材原子供大于求，大量靶材原子使电子温度冷却，抑制了等离子体不稳定性，所以电离辐振荡消失，变为角向均匀化稳定模式。
　　本文的第二部分，是基于上述第一部分磁控溅射等离子体的物理理论，采用脉冲溅射沉积法在细长真空管内壁（内径小于10 mm）进行了NEG薄膜沉积。
　　本文对比了两种阴极金属线的沉积效果：Ti、V、Zr三根金属线电动绞成一根的绞线，和Ti-V-Zr合金线。并对所制备的NEG薄膜进行了表征。例如，扫描电子显微镜（SEM）用于测量表面形貌，能量色散X射线光谱仪（EDX）用于表征化学成分，卢瑟福背散射能谱（RBS）用于表征化学成分的深度分布，等等。SEM图像表明，采用合金线制备 NEG薄膜的表面形态比采用绞线制备 NEG薄膜要更加均匀且更加致密。它们沉积的NEG薄膜均有花椰菜状纳米结构，不同条件沉积的薄膜纳米结构平均尺寸在10~100nm之间。较大的表面积有利于吸收残余气体。
　　在合金线沉积中，所得NEG薄膜具有和Ti-V-Zr合金线阴极相一致的化学成分。采用高电压、低频率沉积的NEG薄膜更加致密，纳米结构平均尺寸更小、沉积速率更高，且对薄膜化学成分没有影响。综上所述，制备的NEG样品有望用于下一代粒子加速器的真空系统。

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1 绪论：从等离子体到薄膜材料沉积

1.1 物理溅射沉积

1.1.1薄膜生长的结构区域模型

1.1.2等离子体放电类型

1.1.3帕邢定律

1.1.4固体表面的离子轰击效应

1.2 E×B 放电等离子体动力学

1.2.1溅射放电装置

1.2.2电势峰

1.2.3等离子体局域化：电离辐

1.2.4电流陡增效应

1.2.5自溅射效应和气体析出效应

1.3 吸气材料

1.3.1吸气材料的工作原理

1.3.2吸气材料的选择

1.3.3吸气材料的应用：粒子加速器

1.4 本文研究目的

2 磁控溅射等离子体动力学

2.1 研究背景

2.2 实验装置和实验方法

2.2.1放电系统

2.2.2帧成像

2.2.3条纹成像

2.2.4粒子质量能量分析

2.2.5悬浮电位探针

2.3 结果与讨论

2.3.1高功率脉冲磁控溅射（高电流密度）

2.3.2脉冲磁控溅射（中等电流密度）

2.3.3直流和脉冲磁控溅射（低电流密度）

2.4 第二章总结

3 在极细管状腔内沉积非蒸发吸气材料

3.1 研究背景

3.2 实验装置与实验方法

3.2.1沉积装置

3.2.2扫描电子显微镜

3.2.3能量色散X射线光谱仪

3.2.4卢瑟福背散射仪和粒子激发X射线荧光分析仪

3.3 绞线阴极和合金阴极沉积的比较

3.3.1绞线阴极沉积的实验结果与讨论

3.3.2合金线阴极沉积的实验结果与讨论

3.3.3卢瑟福背散射分析的准确性讨论

3.4 第三章总结

4 全文总结与展望

4.1 全文总结

4.2 研究亮点

4.3 研究展望

致谢

参考文献

附录 1 攻读博士学位期间发表论文、参会和获奖情况