强磁场磁控溅射的基础研究

Conventional permanent-magnet magnetron discharge is hard to be used to deposit high-quality optical films and seed films in micro-nano machining technology, because of its higher pressrue and narrower target-substrate space. The HTS (high temperature superconductivity) magnetron sputtering apparatus could generate strong magnetic field which is one order higher than that of conventional magnetrons, therefore a lot of special films could be prepared in lower gas pressure and longer target-substrate space. The research of discharge mechanism, plasma simulation and measurement, magnet design and coating technology is of great theoretical significance and practical value to prepare high-quality film.Through the mechansim research of high field magnetron sputtering, a small-scale planar magnetron sputtering platform excited by HTS magnet will be built. Furthermore,taking preparation of Cu film and ZnO film for example, the influence of magnetic field intensity, gas pressure, cathode voltage and target-substrate space, etc. on plasma characteristics, and the influcence of plasma characteristics on film morpholoy and parameters are studied. Based on this, the matching of these operating parameters could be optimized.

常规永磁磁控溅射装置由于需要在较高的气压和较窄的靶基板间距下放电，难以应用于制备高质量的光学薄膜和微纳加工工艺中的种子薄膜，超导磁控溅射装置靶表面的磁场比常规磁控溅射装置高一个数量级以上，因此可以在很低的气压和很长的靶基板间距下制备高质量薄膜。对于强磁场磁控溅射的放电机理、等离子体仿真和测试、磁体设计、镀膜工艺等基础问题进行研究，具有十分重要的理论和实际意义。本项目基于对强磁场磁控溅射机理的研究，将建立起一套采用高温超导线圈激磁的小型磁控溅射镀膜实验平台。进一步，本项目拟以制备Cu薄膜和ZnO薄膜为例，重点对磁场强度、气压、电压和靶基板间距等工作参数对等离子体特性的影响，以及等离子体特性对薄膜形貌和参数的影响展开研究，在此基础上对各工作参数的配合进行优化。

常规永磁磁控溅射装置由于需要在较高的气压和较窄的靶基板间距下放电，难以应用于制备高质量的光学薄膜和微纳加工工艺中的种子薄膜，超导磁控溅射装置靶表面的磁场比常规磁控溅射装置高一个数量级以上，因此可以在很低的气压和很长的靶基板间距下制备高质量薄膜。对于强磁场磁控溅射的放电机理、等离子体仿真和测试、磁体设计、镀膜工艺等基础问题进行研究，具有十分重要的理论和实际意义。.本项目基于对强磁场磁控溅射的基础研究，建立起强磁场磁控溅射的等离子体仿真模型，用PIC-MCC（粒子云网格，蒙特卡洛碰撞）方法对强磁场磁控放电等离子体进行了模拟。对不同非平衡度永磁强磁场磁控溅射阴极的设计、制作和测试进行了研究。本项目搭建了强磁场磁控溅射镀膜平台，为后续磁控放电等离子体参数测试和薄膜的制备打下基础。.本项目的主要研究工作和成果如下： .1）对强磁场磁控溅射的放电机理进行了更为深入的研究；.2）完成超导强场磁控溅射阴极磁体的优化设计和制作；.3）完成了超导强磁场磁控溅射阴极的低温冷却系统设计和绝缘、绝热及密封结构设计；.4）完成了超导强磁场磁控溅射阴极的低温冷却和绝缘系统的设计工作；.5）建立了完整的强磁场磁控溅射装置的磁场和等离子仿真软件；.6）建立强磁场环境等离子体放电的仿真模型，研究了磁场对等离子体参数的影响规律；.7）完成强磁场环境下等离子体探针诊断的研究工作，分析了强磁场对探针测试结果的影响；.8）完成不同非平衡度永磁强磁场磁控溅射阴极的设计、制作和测试工作；.9）建立强磁场磁控溅射镀膜平台，完成薄膜制备的准备工作，并从理论上分析了工艺参数对薄膜电磁性能的影响规律。