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磁控溅射是极其重要的薄膜制备技术,在科学研究和工业生产领域得到广泛应用,磁控溅射放电等离子体性能的诊断以及相关的物理问题一直得到科学家们的高度关注。人们采用磁控溅射沉积薄膜时,发现靶表面鞘层区在磁控溅射中起着关键作用,因此,磁控溅射的鞘层一直是科学家们高度关注的研究内容。但是,在磁控溅射放电鞘层特性的实验诊断中还存在一些问题,需要发展非侵入的、受溅射环境影响小的诊断技术。近年来,基于射频电压-电流探针的等离子体阻抗监测技术成为非侵入探测放电等离子体性能的重要诊断技术,在等离子体工艺中得到重要应用。这种技术采用Schneider提出的等效电路理论,将体等离子体和电极鞘层模拟成两个串联电路,通过等离子体阻抗分析来开展放电等离子体性能的诊断研究。其中,体等离子体的阻抗包括电子与气体原子碰撞的电阻Rv、等离子体边界震荡导致的电子随机加热电阻Rst、位移电流导致的电容C0、射频电场中电子惯性效应产生的电感L0;电极鞘层的阻抗包括并联鞘层电容C’sh、并联鞘层电阻R’sh。因此,利用等离子体阻抗测量,可以发展非侵入的鞘层性能测量方法。本论文采用等离子体阻抗监测技术,开展了Ag、Cu、Al靶的射频、甚高频磁控溅射放电等离子体阻抗的测量分析,发展了非侵入的射频磁控溅射放电鞘层特性诊断技术。论文分析了射频(RF)、甚高频(VHF)磁控溅射放电的等效电路模型,采用射频V-I探针技术,测量了放电频率(2MHz、13.56 MHz、27.12 MHz、60 MHz)、放电气压(1.0 Pa、3.5 Pa、5.0 Pa、7.5 Pa、10.0 Pa)下Ag、Cu、Al靶磁控溅射放电的等离子体阻抗特性,分析了射频、甚高频磁控溅射放电等离子体阻抗特性差异的可能原因,获得了 13.56 MHz射频磁控溅射放电靶表面的鞘层厚度及其随放电条件的变化关系。研究结果表明:(1)根据本实验采用的放电频率ω(13.56MHz、27.12MHz、60MHz),以及由方程ωpe2=e2n/(ε0m)计算得到电子等离子体频率ωpe,对Schneider提出的射频放电等离子体等效电路模型进行了细致分析。发现对于13.56 MHz磁控放电时,满足ω<ωpe的条件,可以忽略Schneider的等效电路模型中的位移电流电容C0、电子惯性电感L0,近似简化为“容性鞘模型”。对于27.12MHz、60MHz磁控放电,ω<<ωpe的条件不满足,不能忽略电子惯性电感L0,Schneider的等效电路模型不能简化为“容性鞘模型”。(2)放电频率(2MHz、13.56MHz、27.12MHz、60MHz)对 Ag、Cu、Al靶磁控溅射的阻抗特性具有显著影响。低频率(2 MHz)放电主要影响阻抗的实部性能,高频率(27.12MHz、60MHz)放电主要影响阻抗的虚部性能。在2MHz磁控溅射时,实部R与放电电流存在R∝I-1关系,与13.56 MHz、27.12 MHz、60MHz磁控溅射时不同,表明低频率(2 MHz)放电时体等离子体电子加热电阻对阻抗特性有主要贡献。在27.12 MHz磁控溅射时,虚部X从负阻抗(容抗)转变为正阻抗(感抗)特性,而在60 MHz磁控溅射时,虚部X呈现为正阻抗(感抗)特性,表明高频率(27.12 MHz、60 MHz)放电时等离子体中的电子惯性效应产生的感抗对阻抗特性有显著贡献。(3)放电气压(1.0Pa、3.5 Pa、5.0Pa、7.5Pa、10.0 Pa)对 Ag 靶磁控溅射的阻抗特性具有影响,这种影响还与放电频率有关联。在13.56 MHz磁控溅射时,在1.0-7.5 Pa时,放电气压对复阻抗模|Z|和虚部X具有明显影响,而在7.5-10.0 Pa时,放电气压对实部R具有明显影响。在27.12 MHz磁控溅射时,随着放电气压增大,虚部X从负阻抗(容抗)向正阻抗(感抗)特性转变,转变点(X=0Ω)的放电电流随放电气压的增大而减小,并导致复阻抗模|X|随放电电流的变化趋势发生改变。在60 MHz磁控溅射时,复阻抗模|Z|、实部R、虚部X随放电电流的变化均呈两段线性增大趋势,转变点电流值随着气压的增大而减小。(4)在13.56MHz磁控溅射时,由于ω<ωpe条件满足,根据“容性鞘模型”、利用等式Xs=(Csω)-1及Cs=ε0Sds-1,可以获得靶面鞘层平均厚度ds。在放电气压3.5 Pa、溅射功率44-192 W时,鞘层平均厚度ds在0.111-0.052 mm(Ag靶)、0.118-0.085mm(Cu靶)、0.115-0.070mm(Al靶)之间。放电气压的变化也影响着鞘层平均厚度ds,在溅射功率50 W、200 W时,随着放电气压从1.0 Pa增大到10.0Pa,鞘层平均厚度ds分别从0.113 mm减小到0.102mm、从0.059mm减小到 0.040 mm。因此,采用射频V-I探针技术,可以开展射频(2MHz、13.56MHz、27.12 MHz)和甚高频(60MHz)磁控溅射放电的等离子体阻抗特性研究。通过非侵入的等离子体阻抗测量诊断,可以开展射频(13.56MHz)磁控溅射放电靶面鞘层特性的研究。