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高功率脉冲磁控溅射仿真技术研究进展

中国表面工程 2022年第5期35卷 23-41页

作者：崔岁寒郭宇翔陈秋皓吴忠振北京大学深圳研究生院新材料学院深圳518055

磁控溅射技术广泛用于制备多种功能涂层/薄膜材料,随着材料加工的精密化和功能器件的微型化,其已成为工业生产中必要环节。磁控溅射的发生基于等离子体放电,但由于等离子体负载的非线性和不稳定性,试验研究相对困难,促使其仿真技术在过... 详细信息

磁控溅射技术广泛用于制备多种功能涂层/薄膜材料,随着材料加工的精密化和功能器件的微型化,其已成为工业生产中必要环节。磁控溅射的发生基于等离子体放电,但由于等离子体负载的非线性和不稳定性,试验研究相对困难,促使其仿真技术在过去的几十年快速发展,并逐渐成为新型真空涂层装备开发和工艺验证重要且高效的手段。尤其是随着高离化磁控溅射等新技术的提出,等离子体的不确定性加强,检测越来越难,使仿真技术得到进一步的发展和推进。针对高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术,对近年来等离子体仿真技术研究进展及其在HiPIMS放电机理和等离子体特性方面的应用进行综述。以多种等离子体仿真模型为切入点,分别介绍检验电子Monte Carlo模型、流体模型、粒子网格/蒙特卡洛(PIC/MCC)模型、参数路径模型以及整体模型等仿真模型的原理、优缺点及其在HiPIMS技术研究中的贡献和不足。随着等离子体放电技术的进步,等离子体特性越来越复杂,等离子体仿真技术也相应地向更高维度、精度和自由度的方向不断升级,最后总结等离子体仿真技术的研究方向,并对其发展及其对HiPIMS可能的推动作用进行展望。

关键词：高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS) 仿真技术高精度高强度放电等离子体特性

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筒形高功率脉冲磁控溅射源的开发与放电特性

物理学报 2016年第18期65卷 289-297页

作者：肖舒吴忠振崔岁寒刘亮亮郑博聪林海傅劲裕田修波潘锋朱剑豪北京大学深圳研究生院新材料学院深圳518055 香港城市大学物理与材料科学系香港999077

高功率脉冲磁控溅射以较高的溅射材料离化率及其所带来的高致密度、高结合力和高综合性能成为物理气相沉积领域的新宠,然而其沉积速率低、放电不稳定、溅射材料离化率不一等缺点阻碍了其在工业界的推广和应用.针对高功率脉冲磁控溅射技... 详细信息

高功率脉冲磁控溅射以较高的溅射材料离化率及其所带来的高致密度、高结合力和高综合性能成为物理气相沉积领域的新宠,然而其沉积速率低、放电不稳定、溅射材料离化率不一等缺点阻碍了其在工业界的推广和应用.针对高功率脉冲磁控溅射技术固有的缺陷,我们从靶源出发,设计了一种筒形溅射源,将放电限制在筒形溅射源内部,放电不稳定喷溅出的"金属液滴"和溅射出来但并未离化的溅射材料无法被负电位的引出栅引出而影响薄膜沉积,只有离化的溅射材料可以引出并沉积形成薄膜,而电子将在筒形溅射源内部反复振荡,和未离化的溅射原子剧烈碰撞,带动进一步离化.本文通过磁场和放电的模拟发现筒形溅射源内部电子、离子呈花瓣状分布,8条磁铁均匀分布的结构具有最优的靶材利用率.据此开发的筒形溅射源可在高功率脉冲磁控溅射条件下正常放电,其放电靶电流随靶电压变化呈现出高功率脉冲磁控溅射典型的伏安特性特征,复合电流施加后,有明显的预离化作用.溅射"跑道"面积占靶材表面的60%以上,筒形溅射源中心的离子电流波形与靶电流波形类似,但相对靶电流延迟约40μs,数值约为靶电流的1/10.结果证明,筒形溅射源可有效地应用到高功率脉冲磁控溅射放电中,并成为促进其推广和应用的一种新路径.

关键词：高功率脉冲磁控溅射筒形溅射源模拟仿真放电特性

筒内高功率脉冲磁控溅射放电等离子体的空间分布及输运行为

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中国表面工程 2022年第5期35卷 163-171页

作者：崔岁寒李体军李蕊吴忠灿马正永吴忠振北京大学深圳研究生院新材料学院深圳518055

增强对高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)过程中等离子体分布及输运行为的理解是控制涂层沉积过程并优化涂层性能的关键,尤其是对于筒内放电,等离子体分布与输运过程更加复杂,影响粒子运动行为的因素更加多样。针对筒内HiPIMS放电,并耦合电磁... 详细信息

增强对高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)过程中等离子体分布及输运行为的理解是控制涂层沉积过程并优化涂层性能的关键,尤其是对于筒内放电,等离子体分布与输运过程更加复杂,影响粒子运动行为的因素更加多样。针对筒内HiPIMS放电,并耦合电磁约束离子输出系统,以Ar/N_(2)/Cr磁控溅射体系中的主要组分及其相关反应和运动规律为研究对象,利用检验粒子蒙特卡罗(MC)方法对Ar、N_(2)和Cr三类主要演化粒子的空间演变过程进行仿真,发现离子输出束流中的各粒子呈现出不同的空间分布。其中,质量大、离子能量高的金属离子Cr^(+)的输出束流最窄,而质量小、离子能量低的气体离子N^(+)的输出束流范围最宽。利用高精度光谱仪测出Ar^(+)、N^(+)和Cr^(+)的特征光谱强度随空间的变化,与仿真得到的离子空间分布吻合。同时,利用该体系可在不同的沉积位置制备出不同Cr/N比的Cr_(x)N涂层,实现多种成分的一次性制备或同一成分的可控制备。

关键词：筒内放电等离子体仿真等离子体输运特性离子空间分布

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高离化磁控溅射技术及其工业应用

中国表面工程 2022年第5期35卷 116-144页

作者：马旻昱刘亮亮李体军李熙腾崔岁寒吴忠振北京大学深圳研究生院新材料学院深圳518055

磁控溅射技术发展至今已有40余年的历史,广泛应用在航空航天、武器装备、电子器件等领域,但较低的离化率对磁控溅射的工艺可控性、深孔沉积能力甚至涂层质量等有很大限制,高离化率一直是磁控溅射追寻的目标。从早期引入辅助增强装置,到... 详细信息

磁控溅射技术发展至今已有40余年的历史,广泛应用在航空航天、武器装备、电子器件等领域,但较低的离化率对磁控溅射的工艺可控性、深孔沉积能力甚至涂层质量等有很大限制,高离化率一直是磁控溅射追寻的目标。从早期引入辅助增强装置,到高功率脉冲磁控溅射的提出,以及持续高功率技术的发展,高离化磁控溅射技术受到广泛关注。以高离化磁控溅射技术的发展为切入点,综述近年来该技术的发展迭代、应用现状以及面向各种应用的工业设备研发进程。高离化磁控溅射的发展可归纳为四个阶段,即辅助增强的磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射、改进型高功率脉冲磁控溅射以及持续高功率磁控溅射。分别阐述不同阶段的技术特点和存在的问题,分析各技术的应用现状及其潜在的应用价值,介绍各技术的工业设备及其应用现状。随着工业发展对涂层长寿命、高可靠性的要求,以及市场对高效率制备的诉求,高离化磁控溅射也在朝着可控、精确、高效的方向发展,最后对高离化磁控溅射技术未来发展进行展望。

关键词：高离化率辅助增强离化高功率脉冲持续高功率溅射

筒内高功率脉冲磁控溅射放电等离子体的空间分布及输运行为研究

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中国表面工程 2022年

作者：崔岁寒李体军李蕊吴忠灿马正永吴忠振北京大学深圳研究生院新材料学院

增强对高功率脉冲磁控溅射（High power impulse magnetron sputtering，HiPIMS）过程中等离子体分布及输运行为的理解，是控制涂层沉积过程并优化涂层性能的关键，尤其是对于筒内放电，等离子体分布与输运过程更加复杂，影响粒子运动...

增强对高功率脉冲磁控溅射（High power impulse magnetron sputtering，HiPIMS）过程中等离子体分布及输运行为的理解，是控制涂层沉积过程并优化涂层性能的关键，尤其是对于筒内放电，等离子体分布与输运过程更加复杂，影响粒子运动行为的因素更加多样。本文针对筒内HiPIMS放电，并耦合电磁约束离子输出系统，以Ar/N/Cr磁控溅射体系中的主要组分及其相关反应和运动规律为研究对象，利用检验粒子蒙特卡罗（Monte Carlo，MC）方法对Ar，N和Cr三类主要演化粒子的空间演变过程进行了仿真，发现离子输出束流中的各粒子呈现出不同的空间分布。其中，质量大、离子能量高的金属离子Cr的输出束流最窄；而质量小、离子能量低的气体离子N的输出束流范围最宽。利用高精度光谱仪测出Ar，N和Cr的特征光谱强度随空间的变化，与仿真得到的离子空间分布吻合。同时，利用该体系可在不同的沉积位置制备出不同Cr/N比的CrN涂层，实现多种成分的一次性制备或同一成分的可控制备。

关键词：

大束流阳极层离子源的阴极刻蚀现象及消除措施

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物理学报 2024年第18期73卷 230-241页

作者：汤诗奕马梓淇邹云霄安小凯杨东杰刘亮亮崔岁寒吴忠振北京大学深圳研究生院新材料学院深圳518055 香港城市大学物理与材料科学系中国香港999077 东北林业大学家居与艺术设计学院哈尔滨150006

阳极层离子源可输出高密度离子束流,广泛用于等离子体清洗和辅助沉积,但大束流下内部易发生放电击穿,且大量离子轰击内外阴极导致明显刻蚀,易造成样品污染.本文提出阳极环绕磁屏蔽罩和内外阴极溅射屏蔽板的设计方案,并仿真研究了其对离... 详细信息

阳极层离子源可输出高密度离子束流,广泛用于等离子体清洗和辅助沉积,但大束流下内部易发生放电击穿,且大量离子轰击内外阴极导致明显刻蚀,易造成样品污染.本文提出阳极环绕磁屏蔽罩和内外阴极溅射屏蔽板的设计方案,并仿真研究了其对离子源电磁场和等离子体放电输运的影响.发现阳极环绕磁屏蔽罩可切断离子源内部阴阳极间的磁场回路,消除打火条件.内外阴极溅射屏蔽板选择溅射产额低且绝缘性能好的氧化铝,既可阻挡离子溅射,又能屏蔽阴极外表面电场,使等离子体放电向阳极压缩,在抑制阴极刻蚀行为的同时提升离子输出效率.当距离阴极外表面9 mm时,溅射屏蔽板的作用效果最优,不仅能获得稳定放电和高效输出,还可大幅削弱阴极刻蚀行为并减少污染.实验结果显示:改进离子源无内部打火,输出高效且清洁,相同电流下离子输出效率较原离子源实际提高36%;玻璃基片在经过1 h清洗后,表面成分几乎不变,来自阴极溅射的Fe元素含量仅为0.03%,比原离子源低2个数量级,含量约为原离子源的0.6%,实验结果验证了理论分析.

关键词：大束流阳极层离子源阴极刻蚀电磁屏蔽输出性能

Origin of Initial Current Peak in High Power Impulse Magnetron Sputtering and Verification by Non-Sputtering Discharge

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Chinese Physics Letters 2016年第7期33卷 110-112页

作者：吴忠振肖舒崔岁寒傅劲裕田修波朱剑豪潘锋 School of Advanced Materials Peking University Shenzhen Graduate School Department of Physics and Materials Science City University of Hong Kong State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining Harbin Institute of Technology

A non-sputtering discharge is utilized to verify the effect of replacement of gas ions by metallic ions and consequent decrease in the secondary electron emission coefficient in the discharge current curves in high-power impulse magnetron sputtering （HiPIMS）. In the non-sputtering discharge involving hydrogen, replacement of ions is avoided while the rarefaction still contributes. The initial peak and ensuing decay disappear and all the discharge current curves show a similar feature as the HiPIMS discharge of materials with low sputtering yields such as carbon. The results demonstrate the key effect of ion replacement during sputtering.

关键词： of in Origin of Initial Current Peak in High Power Impulse Magnetron Sputtering and Verification by Non-Sputtering Discharge is by

耦合溅射离子状态的动态靶材刻蚀行为仿真研究

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耦合溅射离子状态的动态靶材刻蚀行为仿真研究

第四届粤港澳大湾区真空科技创新发展论坛暨2020年广东省真空学会学术年会

作者：崔岁寒金正吴忠灿吴忠振北京大学深圳研究生院新材料学院

靶材的刻蚀率和均匀性是磁控溅射阴极关键的性能参数,直接决定了工艺成本和涂层的制备流程。当前,靶材刻蚀主要是利用靶面切向直接映射的方法或者是粒子网格/蒙特卡洛(Particle-in-cell/Monte Carlo collision,PIC/MCC)法仿真离子溅射... 详细信息

靶材的刻蚀率和均匀性是磁控溅射阴极关键的性能参数,直接决定了工艺成本和涂层的制备流程。当前,靶材刻蚀主要是利用靶面切向直接映射的方法或者是粒子网格/蒙特卡洛(Particle-in-cell/Monte Carlo collision,PIC/MCC)法仿真离子溅射的方式进行研究。然而,由于上述方法存在过渡的简化,仿真结果误差较大,特别是对非平衡磁场以及高功率放电。本工作通过将PIC/MCC方法和元胞自动机(Cellular Automata,CA)法相结合,并耦合溅射离子的能量和入射角度分布,开发出了一种新的动态刻蚀模型,实现了对等离子体空间分布随靶材刻蚀形貌变化的演变过程的仿真。利用动态刻蚀模型对多组阴极的刻蚀进行了仿真,结果表明考虑靶面形貌动态变化过程的仿真结果比传统的模型更为精确。随着刻蚀的进行,等离子体逐渐向刻蚀跑道最深的位置聚集,导致溅射离子状态发生改变,最终反作用于刻蚀过程。该模型突破了传统模型的精度低和静态刻蚀的局限,对未来的磁场设计,等离子体诊断以及涂层制备有重要的指导意义。

关键词：靶材刻蚀元胞自动机溅射离子状态动态刻蚀

来源： cnki会议评论

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闭合磁场的作用原理与布局逻辑

物理学报 2022年第5期71卷 233-244页

作者：崔岁寒郭宇翔陈秋皓金正杨超吴忠灿苏雄宇马正永田修波吴忠振北京大学深圳研究生院新材料学院深圳518055

采用非平衡磁控溅射阴极在镀膜区间构建闭合磁场已经成为设计开发磁控溅射真空镀膜系统的通用手段,然而闭合磁场具体的作用对象、作用机制、闭合条件、布局逻辑以及作用效果等仍没有定量的判定标准或设计依据.本文从带电粒子在磁场中的... 详细信息

采用非平衡磁控溅射阴极在镀膜区间构建闭合磁场已经成为设计开发磁控溅射真空镀膜系统的通用手段,然而闭合磁场具体的作用对象、作用机制、闭合条件、布局逻辑以及作用效果等仍没有定量的判定标准或设计依据.本文从带电粒子在磁场中的运动出发,推导了真空室内电子与离子运动行为,得出闭合磁场的作用机制,并依此研究了磁控溅射阴极和离子源布局方式对电子约束效果和沉积效率的影响.结果表明,闭合磁场在真空室中主要通过约束电子来约束等离子体,进而减少系统内电子损失;阴极数量和真空室尺寸对闭合磁场的作用效果有重要影响.提出在真空室中央增加对偶离子源,研究了闭合磁场中阴极类型、旋转角度和磁场方向对电子的约束作用,发现当离子源正对阴极相斥或相吸时,真空室内分别形成了局部高密度和均匀连续的两种等离子体分布特征,边缘电子溢出比均低于3%,镀膜区的电子占比相对无对偶离子源时分别提高到53.41%和42.25%.

关键词：闭合磁场电子运动真空结构布局沉积效率

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