磁控溅射启辉电压波动分析与汤生理论

"牟宗信, 邓新绿, 苟伟, 李国卿, 张鹏云. 磁控溅射启辉电压波动和机理[J]. 大连理工大学三束材料表面改性国家重点实验室, 辽宁大连116024." 磁控溅射技术是广泛应用于功能性薄膜沉积的重要方法，它涉及到复杂的物理过程，如等离子体产生、离子和原子的迁移以及薄膜的形貌和结构控制。深入理解磁控溅射的放电特性对于优化沉积工艺至关重要。 在磁控溅射过程中，磁场与电场相互垂直地作用于靶表面，这一配置称为磁控辉光放电。蔡尔德定律通常用来描述这种放电状态，即放电电流I与放电电压V的关系为 I ∝ V^n，其中n是一个与阴极结构、磁场和材料性质相关的常数。然而，在特定的阴极结构和放电参数条件下，放电特性可能会偏离这一规律。 研究发现，在磁控溅射的启动阶段，阴极电压会出现有规律的波动，波动幅度介于50至350伏特，同时放电电流也会随之波动，但波动幅度较小，不超过2安培。一旦电压波动停止，放电电流会稳定在一个由蔡尔德定律决定的数值。这种现象被认为可能是进入稳定放电状态的临界表现，与磁控辉光放电的雪崩过程和霍尔电流的形成有关。 汤生雪崩放电理论在此起到了解释作用，该理论探讨了在电场作用下电子与气体分子碰撞导致电离的过程。在磁控溅射的辉光放电中，电子在磁场的约束下进行长程运动，增加了与气体分子的碰撞机会，从而加速了电离过程，可能诱发电压波动的产生。 此外，薄膜生长的控制因素还包括偏压、离子/原子到达比以及基体温度。偏压决定了入射到基片的带电粒子的能量，而基体温度则影响薄膜的结晶状态和性能。放电特性作为另一关键因素，通过改变等离子体状态进而影响薄膜的生长过程，如粒子迁移、形核和生长速率。 磁控溅射靶表面的等离子体由于磁场的存在而形成封闭环状结构，阴极鞘层的电场强烈，气体分子和溅射原子的电离主要发生在这里。电荷在静电力和密度梯度的作用下迁移到沉积区域，这一过程可以通过等离子体动力学模型进行描述。尽管磁控溅射能够显著降低放电气压并提高溅射效率，但由于多种因素之间的复杂耦合作用，理解和精确控制这些参数仍然是一个挑战。 该研究揭示了磁控溅射启辉阶段电压波动的内在机理，这不仅有助于改进沉积工艺，提高薄膜性能，也为等离子体科学和表面工程领域的理论研究提供了新的视角。