磁控溅射离子镀脉冲靶电源放电特性及其参数对镀层显微结构的影响

摘要

本文研究了靶电源不同峰值电压及脉冲宽度条件下，MSIP016型磁控溅射离子镀工作时的电压、电流波形及伏安放电特性曲线。并选定不同的脉冲参数，于载玻片及Si衬底表面制备纯金属Cr镀层，采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)及透射电子显微镜(TEM)等检测手段分析了组成镀层的晶粒尺寸、镀层表面及截面形貌、粗糙度及柱状生长形貌等，系统讨论了脉冲条件下不同电参数对镀层生长的影响。
　　 研究结果表明：
　　 在600V，5KHz条件下改变脉冲宽度，当脉宽约为60μs左右时，放电电流爬升到稳定的平台阶段；在15KHz，15μs条件下改变靶电源峰值电压，随着靶电压的上升，靶电流爬升速度加快，但在15μs放电时间内电流波形呈三角状。因为脉冲电压的突变特性，实际放电过程中电压和电流会出现跃变和震荡，需要在电路中加入电感元件降低影响。
　　 在直流条件下随电流增大，Cr的(200)峰和(211)峰强度增强，但是随靶电源峰值电压及脉冲宽度的增加，镀层沿(100)峰择优生长趋势不变。在脉冲条件为15KHz，15μs条件下峰值电压由600V上升至800V时，镀层晶粒由10.34nm持续长大至20.69nm；600V，5KHz条件下增加脉冲宽度，晶粒由5.58nm持续长大至22.32nm；脉冲条件下Cr镀层晶粒整体大于等通量条件下直流所制备的镀层。
　　 随靶电源峰值电压和脉冲宽度增加，镀层表面料糙度增大，但截断面形貌整齐。在600V，5KHz条件下，相同电通量时两种制备手段沉积速率相当；提高脉冲峰值电压增加至800V后，可能由于镀料自溅射及放电完成时出现反向电流波动等因素影响，导致镀料损失，沉积速率下降。
　　 直流条件下由于电压较低，镀料不均匀溅射导致镀层表面颗粒生长呈一定方向性。提高电压能明显抑制此过程的影响。利用脉冲电源制备的纯Cr镀层致密度显著提高，柱与柱之间疏松明显减少。