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外扩型电磁场控制筒形阴极内等离子体放电输运特性的仿真研究 被引量:8
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作者 岁寒 吴忠振 +7 位作者 肖舒 陈磊 李体军 刘亮亮 傅劲裕 田修波 朱剑豪 谭文长 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2019年第19期172-183,共12页
筒形阴极由于具有向内放电的特性,可改善高功率脉冲磁控溅射技术放电不稳定、溅射材料离化率差异大等缺陷.然而其产生的等离子体仅能依靠浓度差扩散的方式向基体运动,沉积速率并没有明显改善,尤其是在远离阴极区域.使用外扩型磁场对离... 筒形阴极由于具有向内放电的特性,可改善高功率脉冲磁控溅射技术放电不稳定、溅射材料离化率差异大等缺陷.然而其产生的等离子体仅能依靠浓度差扩散的方式向基体运动,沉积速率并没有明显改善,尤其是在远离阴极区域.使用外扩型磁场对离子运动进行引导,可实现等离子体的聚焦和远距离输运,从而减少离子损失,提高沉积效率.本文从模拟和实验的角度对磁场的布局与设置进行研究,并获得不同磁场条件下的等离子体空间和时间输运特性及其对薄膜沉积的影响.结果表明电磁场的引入不仅可以大幅提高筒形阴极内等离子体的引出效率,实现不同程度的引出或聚焦,而且对等离子体放电也产生明显的增强或减弱,可根据不同的需求或材料进行精确调控.通过控制磁场,可获得较强的 HiPIMS 放电和较高的沉积速率,实验结果与仿真预测相符合.该工作完善了 HiPIMS 沉积技术在沉积效率上的不足,拓宽了筒形阴极的溅射工艺窗口和适用范围,有助于 HiPIMS 更进一步的推广与应用. 展开更多
关键词 高功率脉冲磁控溅射 筒形阴极 电磁场 沉积效率
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筒形高功率脉冲磁控溅射源的开发与放电特性 被引量:7
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作者 肖舒 吴忠振 +7 位作者 岁寒 刘亮亮 郑博聪 林海 傅劲裕 田修波 潘锋 朱剑豪 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2016年第18期289-297,共9页
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... 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. 展开更多
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
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筒内高功率脉冲磁控放电的电磁控制与优化 被引量:5
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作者 岁寒 吴忠振 +8 位作者 肖舒 刘亮亮 郑博聪 林海 傅劲裕 田修波 朱剑豪 谭文长 潘锋 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2017年第9期252-259,共8页
高功率脉冲磁控溅射(Hi PIMS)技术被提出以来就受到广泛关注,其较高的溅射材料离化率结合适当的电磁控制,可产生高致密度、高结合力和高综合性能的涂层,但其沉积速率低、放电不稳定、溅射材料离化率差异较大.我们设计了一种筒形溅射源,... 高功率脉冲磁控溅射(Hi PIMS)技术被提出以来就受到广泛关注,其较高的溅射材料离化率结合适当的电磁控制,可产生高致密度、高结合力和高综合性能的涂层,但其沉积速率低、放电不稳定、溅射材料离化率差异较大.我们设计了一种筒形溅射源,通过对结构的设计优化,利用类空心阴极放电效应,使问题得到解决.然而其靶面切向磁场不均匀,电子逃逸严重,进而造成等离子体密度偏低,且放电不均匀.本文通过对其放电和等离子体分布进行仿真,提出电场阻挡和磁铁补偿两种方案,研究了不同电场控制条件下的放电行为和等离子体分布.结果表明:增加电子阻挡屏极可以生成势阱,从而有效抑制电子从边缘的逸出;优化后的磁铁补偿可以显著提高靶面横向磁场的均匀性及靶面利用率.两种方案同时作用时,Hi PIMS放电刻蚀环面积更大、且更加均匀. 展开更多
关键词 高功率脉冲磁控溅射 筒内放电 电子阻挡屏极 磁场补偿
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闭合磁场的作用原理与布局逻辑 被引量:3
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作者 岁寒 郭宇翔 +7 位作者 陈秋皓 金正 杨超 吴忠灿 苏雄宇 马正永 田修波 吴忠振 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期233-244,共12页
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... 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%. 展开更多
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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筒形溅射阴极的磁场优化及其高功率放电特性研究 被引量:3
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作者 李体军 岁寒 +7 位作者 刘亮亮 李晓渊 吴忠灿 马正永 傅劲裕 田修波 朱剑豪 吴忠振 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2021年第4期278-288,共11页
基于高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术开发的筒形溅射阴极,配合电磁系统可有效地提升等离子体的输运效率.然而电磁系统的引入反作用于筒内放电特性,从而使靶面放电面积和放电强度无法同时维持.鉴于此,本文通过调整磁场布局,研究了靶面切... 基于高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术开发的筒形溅射阴极,配合电磁系统可有效地提升等离子体的输运效率.然而电磁系统的引入反作用于筒内放电特性,从而使靶面放电面积和放电强度无法同时维持.鉴于此,本文通过调整磁场布局,研究了靶面切向(横向)磁场和法向(纵向)磁场对靶面放电的作用规律,优化后靶面切向磁场分布更加均匀,磁场强度高于40 mT的靶面区域占比由51%增至67%,同时法向峰值强度外移,强度由73 mT增至96 mT.采用Ar/Cr体系放电发现:相同工艺条件下,优化后的溅射阴极辉光变亮,靶电流增大,放电面积变宽,放电特性得到显著提升.利用等离子体整体模型仿真和发射光谱仪检测发现优化后离子电流和光谱强度得到明显提升,Cr粒子密度提高一倍,增至2.6×10^20 m^–3,且离化率上升至92.1%,同时输出离子通量提高近一倍,实现了靶面放电与离子输出的双促进. 展开更多
关键词 高功率脉冲磁控溅射 磁电协同 增强放电 输出效率
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持续高功率磁控溅射技术高速制备挠性覆铜板Cu膜 被引量:2
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作者 刘亮亮 周林 +3 位作者 唐伟 岁寒 佘自力 吴忠振 《真空与低温》 2020年第5期369-376,共8页
挠性覆铜板(FCCL)是电子信息领域的基础材料,随着电子产品高集成化、高密度化、高频化的发展,对具有低介电损耗特点的聚酰亚胺/铜(PI/Cu)双层覆铜板的需求越来越大。目前高端FCCL的生产中存在膜基结合力差、Cu致密度低、环境污染等问题... 挠性覆铜板(FCCL)是电子信息领域的基础材料,随着电子产品高集成化、高密度化、高频化的发展,对具有低介电损耗特点的聚酰亚胺/铜(PI/Cu)双层覆铜板的需求越来越大。目前高端FCCL的生产中存在膜基结合力差、Cu致密度低、环境污染等问题。本文提出利用兼具高离化率、高沉积速率特点的持续高功率磁控溅射技术(C-HPMS),通过多步离子能量控制在PI表面实现了真空环境下的Cu膜制备,研究了溅射功率密度、沉积温度和基底偏压对Cu膜沉积速率、致密度、膜基结合力等性能的影响,发现用C-HPMS制备Cu膜,沉积速率可以高达1.72μm/min;Cu膜与PI结合牢固,刻蚀后通过胶带测试,结合力均在0.76~0.87 N/mm之间;与压延Cu膜、电镀Cu膜的结构对比,膜层致密,晶粒尺寸均在20 nm左右;电阻率低,2μm厚度时低至4.3×10-8Ω·m,优于电镀法和压延法制备的厚度8μm的Cu膜。 展开更多
关键词 持续高功率磁控溅射 挠性覆铜板 致密铜膜 结合强度
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高功率脉冲磁控溅射仿真技术研究进展 被引量:1
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作者 岁寒 郭宇翔 +1 位作者 陈秋皓 吴忠振 《中国表面工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期23-41,共19页
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... 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。 展开更多
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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作者 岁寒 李体军 +3 位作者 李蕊 吴忠灿 马正永 吴忠振 《中国表面工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期163-171,共9页
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... 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。 展开更多
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
9
作者 马旻昱 刘亮亮 +3 位作者 李体军 李熙腾 岁寒 吴忠振 《中国表面工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期116-144,共29页
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... 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。 展开更多
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
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Origin of Initial Current Peak in High Power Impulse Magnetron Sputtering and Verification by Non-Sputtering Discharge
10
作者 吴忠振 肖舒 +4 位作者 岁寒 傅劲裕 田修波 朱剑豪 潘锋 《Chinese Physics Letters》 SCIE CAS CSCD 2016年第7期110-112,共3页
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-po... 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. 展开更多
关键词 of in Origin of Initial Current Peak in High Power Impulse Magnetron Sputtering and Verification by Non-Sputtering Discharge is by
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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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作者 汤诗奕 马梓淇 +5 位作者 邹云霄 安小凯 杨东杰 刘亮亮 岁寒 吴忠振 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第18期230-241,共12页
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... 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. 展开更多
关键词 大束流阳极层离子源 阴极刻蚀 电磁屏蔽 输出性能
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面向复杂求解域的高效粒子网格/蒙特卡罗模型与阳极层离子源仿真
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作者 岁寒 左伟 +10 位作者 黄健 李熙腾 陈秋皓 郭宇翔 杨超 吴忠灿 马正永 傅劲裕 田修波 朱剑豪 吴忠振 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第8期241-254,共14页
等离子体仿真是研究等离子体放电特性的重要手段,特别是阳极层离子源,其放电结构的几何特性对等离子体特性的作用很难通过实验手段进行系统研究.然而,传统仿真模型一般是针对离子源进行整体建模,离子源的阴阳极几何轮廓形成的复杂求解域... 等离子体仿真是研究等离子体放电特性的重要手段,特别是阳极层离子源,其放电结构的几何特性对等离子体特性的作用很难通过实验手段进行系统研究.然而,传统仿真模型一般是针对离子源进行整体建模,离子源的阴阳极几何轮廓形成的复杂求解域,导致模型的计算效率和收敛性较差.鉴于此,将离子源结构仿真与等离子体仿真分离,首先利用磁镜原理将离子源内外阴极大小、形状和相对位置等一系列阴极几何参数简化为磁镜比R_(m)和磁镜中心磁感应强度B_(0)两个磁镜参数,并在此基础上,建立了高效粒子网格/蒙特卡罗模型,将收敛时间由1.00μs缩短到0.45μs,大幅提升了计算效率和稳定性.进一步利用该模型系统研究了阳极层离子源放电结构的几何特性对等离子体特性的影响规律,发现R_(m)=2.50,B_(0)=36 mT时磁镜对等离子体约束效果最佳,当放电中心的位置与内外阴极间磁镜中心重合时,不仅能够输出高密度离子束流,同时可大幅减少阴极刻蚀,并保证内外阴极的刻蚀平衡. 展开更多
关键词 等离子体仿真 阳极层离子源 放电结构 等离子体特性
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