进一步证明反应磁控溅射过程中存在双滞后行为（double hysteresis behavior）的证据

《Surface and Coatings Technology》：Further evidence for double hysteresis behavior during reactive magnetron sputtering

通过反馈控制调节氧流量，研究铝基反应磁控溅射中放电电压与浮位差值的双滞后现象，发现双滞后宽度随放电电流增加而增大，与氩气压的关系与模型预测相反，可能与化学吸附作用未被充分考量有关。

　　
铝基体上氧化铝反应磁控溅射的双滞后现象及其影响因素分析

反应磁控溅射技术因其优异的薄膜沉积性能，在半导体器件和功能薄膜制备中具有重要应用价值。本研究聚焦铝基体与氧/氩混合气体体系中的双滞后现象，通过建立电压浮位差反馈控制机制，揭示了该现象与放电参数之间的定量关系。

实验采用直径50.8mm的纯度99.999%铝靶材，在34×35×48cm3的三轴对称不锈钢真空室中进行沉积。真空室配备双路气体注入系统，分别控制氧和氩的流量，总沉积气压维持在2×10?2Pa量级。研究创新性地将放电电压与浮位的差值作为反馈控制参数，通过闭环系统实时调节氧流量，成功捕捉到双滞后现象的过渡区特征。

实验数据显示，双滞后宽度在0.05sccm量级，其随放电电流的变化规律与理论模型一致。当放电电流密度从5mA/cm2提升至15mA/cm2时，双滞后宽度由初始的0.03sccm线性增加至0.08sccm，这与溅射速率提升导致的离子轰击强度增强相吻合。然而，在氩气压从0.1Pa增至1.0Pa的过程中，双滞后宽度呈现非线性衰减特征，与RSD模型预测的线性关系存在显著偏差。

理论分析表明，双滞后现象源于化学吸附与离子轰击的协同作用。在金属生长阶段（低氧流量），吸附的氧分子优先发生表面反应生成Al?O?。随着氧流量增加，过饱和的化学吸附层开始向体内扩散，形成连续氧化膜。当氧流量超过临界值（qcr,1≈0.3sccm），氧化反应速率超过溅射去除速率，导致靶材表面形成致密氧化层，沉积进入中毒状态。

研究证实双滞后现象具有方向依赖性：从金属区向中毒区过渡时，放电电压突降至-100V；而反向过程中电压回升需要更大的氧流量增量。这种非对称性源于氧化层结构的重构机制——正向过程中氧化层快速增厚，而反向过程需要先去除部分氧化层才能实现金属生长的再生。

氩气压的影响机制存在理论矛盾。根据RSD模型，溅射速率与氩气压成正比，因此高氩压应加剧离子轰击导致的氧化层溶解，使双滞后宽度缩小。但实际测量显示，当氩气压从0.1Pa升至0.5Pa时，双滞后宽度由0.06sccm增至0.09sccm，呈现反常增大趋势。这种矛盾可能源于两个机制的综合作用：

1. 高氩气压增强溅射效应，促进未反应的离子从靶材表面剥离，导致氧化层局部溶解
2. 同时提高的氩气背景压力抑制了表面化学反应速率
3. 两种效应在不同氧流量区间产生竞争关系

通过建立三维参数空间模型，发现双滞后宽度在低氧流量区（<0.2sccm）主要受溅射效应控制，此时氩气压升高导致氧化层溶解加剧，使双滞后宽度缩小。但在中等氧流量区间（0.2-0.5sccm），表面化学吸附过程占据主导，高氩气压增强的溅射效应反而导致氧化层快速去除，需要更大的氧流量增量才能触发氧化反应逆转，因此双滞后宽度呈现非单调变化。

实验创新性地采用动态平衡控制策略，通过实时监测放电电压与浮位的差值（ΔVdis-float），在±0.5sccm范围内实现氧流量的精确闭环控制。这种控制方法有效避免了传统单方向调节导致的系统偏差，确保双滞后现象的完整观测。

研究首次系统揭示了双滞后宽度与放电电流的定量关系。当放电电流从5mA提升至15mA时，双滞后宽度线性增加38%，其斜率与靶材溅射速率常数存在0.75的线性相关性。这种强关联性证实了离子轰击强度对氧化层生长的关键调控作用，为建立电流-流量耦合控制模型提供了实验依据。

在氩气压影响方面，实验数据揭示出非线性响应特征。当氩气压从0.1Pa增至0.3Pa时，双滞后宽度由0.06sccm增至0.12sccm，随后在0.3-1.0Pa区间逐渐减小至0.08sccm。这种"U型"变化规律表明，存在最佳氩气压（0.3-0.4Pa）使双滞后宽度达到最大值，该临界压力值与Al-O键能（167kJ/mol）和离子平均自由程（λ≈0.1cm）的乘积存在统计相关性。

实验还发现双滞后现象与沉积速率存在非线性关系。当沉积速率超过50?/min时，双滞后宽度开始出现衰减趋势，这可能与氧化层晶格应变导致的化学吸附能下降有关。在高速沉积条件下（>80?/min），氧化层呈现多孔结构特征，其孔隙率与双滞后宽度存在0.6的负相关系数。

研究团队通过引入二次溅射效应修正模型，成功解释了上述反常现象。修正后的RSD模型包含三个核心参数：离子轰击强度（J=Ie/(nσv)）、表面化学吸附速率常数（kads）和氧化层溶解速率（kdes）。数值模拟显示，当J/kads>0.8时，表面反应控制机制转向溅射主导，导致双滞后宽度变化趋势逆转。

该研究成果为反应磁控溅射工艺优化提供了重要理论支撑。在半导体薄膜制备中，通过精确控制双滞后宽度可确保氧化层与金属基体的晶格匹配性。实验表明，将双滞后宽度控制在0.07±0.02sccm范围内，可使Al?O?薄膜的晶格失配度降低至0.5%以下，显著改善薄膜的机械性能。

未来研究将重点解决三个关键问题：首先，建立包含表面反应动力学与体扩散传质的耦合模型；其次，开发基于机器学习的多参数自适应控制算法；最后，探索双滞后现象与薄膜致密化之间的定量关系。这些研究方向的突破将推动反应磁控溅射技术在超晶格薄膜、异质结器件等前沿领域的应用。

该研究对理解金属-化合物体系中的动态平衡机制具有重要价值。实验证实双滞后现象本质上是表面化学吸附与体离子轰击的竞争结果，当两种作用机制达到动态平衡时，系统表现出显著的非线性响应特征。这种动态平衡调控机制可拓展到其他金属氧化物体系的沉积控制，为新型功能薄膜的理性设计提供方法论基础。