可调脉冲高功率磁控溅射电源研制及AlCrN薄膜制备

摘要

可调脉冲磁控溅射技术(MPP)是一种新型的磁控溅射技术,MPP电源的波形电压、电流可调,可实现多台阶脉冲波形,不仅可以提高靶材的离化率还可以提高薄膜的沉积速率,获得的薄膜晶粒细小,结构致密,内应力低,并可以实现~100um厚膜的沉积。
　　本文中研制了一台新型MPP电源,平均功率为5kW,脉冲电流最大为100A,脉冲电压最大为1000V,脉冲峰值功率为100kW,总脉宽为500-3000μs。通过双单片机进行控制,简化了控制电路,提高了电源稳定性。利用OP320-A制作了人机交互界面,操作方便。经测试电源可以实现一阶波形、前高后低两阶波形、前低后高两阶波形、前高后低三阶波形、前低后高三阶波形、两边高中间低三阶波形等多种电压波形,电源运行稳定。
　　MPP电源在真空室放电表现出非线性,对起辉情况研究发现,随着充电电压的升高,脉冲上边沿由左逐渐向右扩展,降低气压时脉冲上边沿由左向右退去。通过增加一阶触发高电压脉冲可以提高电源的起辉稳定性。
　　对AlCr靶的放电特性研究表明,MPP电源的功率密度小于HPPMS,获得的脉冲电流小。气压和频率的降低,都会增加脉冲的起辉的难度,但是起辉后的脉冲电流变化不大,说明高功率等离子体放电时自溅射过程占的比例较大。偏压可以提高到达基体的离子量,氮气比例增加可以提高脉冲电流。靶上放电辉光强烈,发出明亮的蓝色。
　　在研究AlCrN薄膜工艺的过程中发现,MPP电源的沉积速率略低于直流,是直流的94％。提高频率与提高电压和脉宽相比,提高的沉积速率较大。用MPP制备的薄膜与直流相比,薄膜的晶粒更加细小,表面粗糙度下降,塑韧性提高。随着电源功率的提高,衍射峰强度提高,CrN(200)峰值附近变得平缓,随着N2/Ar比例的增加,衍射峰强度增大,薄膜的纳米硬度和弹性模量也随着N2/Ar比例的增加而越来越大。MPP还可以提高薄膜的结合力和耐摩擦性能。从整体来看,MPP可以改善薄膜结构和性能。

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第1章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2磁控溅射

1.3 AlCrN薄膜研究现状

1.4本文研究内容

第2章 试验设备与方法

2.1试验材料

2.2试验设备及试验流程

2.3薄膜分析方法

第3章 可调脉冲高功率脉冲磁控溅射电源研制

3.1电源整体方案设计

3.2单片机控制设计

3.3主电路设计

3.4电源水负载及等离子负载测试

3.5本章小结

第4章 AlCr靶MPP电源放电特性

4.1电源参数对放电特性的影响

4.2工艺参数对放电特性的影响

4.3本章小结

第5章 AlCrN薄膜沉积工艺研究

5.1 AlCrN薄膜的沉积速率

5.2 AlCrN薄膜的微观结构

5.3 AlCrN物理性能

5.4本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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