高功率脈沖磁控濺射具有高的金屬離化率，在薄膜制備表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，成為當(dāng)前磁控濺射技術(shù)領(lǐng)域一個新的發(fā)展趨勢。高功率脈沖磁控濺射的放電特性、等離子體特性等微觀參數(shù)對薄膜質(zhì)量控制具有決定性作用，分析宏觀參數(shù)如何影響微觀參數(shù)，有利于提高薄膜質(zhì)量，穩(wěn)定工藝。因此，本文研究了脈沖與直流電源并聯(lián)模式的復(fù)合高功率脈沖磁控濺射過程中，脈沖電壓(400~800 V)對Ti、Cr 靶在Ar氣氛中的放電特性、等離子體參數(shù)(等離子體電勢、電子溫度、電子密度)、基體電流的影響。結(jié)果表明：復(fù)合高功率脈沖磁控濺射Ti、Cr 靶放電過程中，脈沖電壓的增加有利于脈沖作用期間的靶電壓、靶電流、基體電流增加；當(dāng)Ti 靶脈沖電壓為600 V 或Cr 靶脈沖電壓為700 V 時，電子密度出現(xiàn)較大值。Cr 靶與Ti 靶放電相比，前者的靶電流、基體電流、等離子體電勢、電子溫度比后者更高，而電子密度卻更低。

　　高功率脈沖磁控濺射( high power impulse magnetron sputtering，HIPIMS)是一種利用高脈沖峰值功率和低脈沖占空比來產(chǎn)生高濺射原子離化率的磁控濺射技術(shù)，是當(dāng)前磁控濺射技術(shù)領(lǐng)域一個新的發(fā)展趨勢。高的濺射原子離化率能夠產(chǎn)生高密度等離子體，從而增強(qiáng)反應(yīng)活性，提高薄膜質(zhì)量，并有利于實現(xiàn)復(fù)雜形狀工件的薄膜沉積。

　　薄膜的質(zhì)量主要取決于薄膜沉積過程中的微觀參數(shù)例如等離子體電勢、電子溫度、等離子體電子密度等，建立宏觀工藝參數(shù)與微觀參數(shù)之間的作用規(guī)律，有利于反饋優(yōu)化。本文采用脈沖與直流電源并聯(lián)模式的復(fù)合HIPIMS，針對Ti、Cr靶研究脈沖電壓對復(fù)合HIPIMS 過程中的靶電壓、靶電流、電子密度(Ne)、電子溫度(Te)、等離子體電勢(Vs)以及基體電流等微觀參數(shù)的影響。

　　1、實驗設(shè)備與方法

　　本文實驗設(shè)備為磁過濾陰極真空電弧復(fù)合濺射薄膜沉積設(shè)備(P600-1 型)，由課題組自主研發(fā)設(shè)計，與韓國JNL 公司合作加工制造，其原理圖見文獻(xiàn)。復(fù)合HIPIMS 由脈沖與直流電源并聯(lián)，分別采用恒壓和恒流模式同時作用于等離子體負(fù)載，如圖1 所示。實驗在Ar 氣氛中進(jìn)行，濺射靶為Ti、Cr(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.9%)，本底真空度3×10^-3 Pa，工作氣壓0.3 Pa。復(fù)合HIPIMS 直流電源部分耦合直流電流保持常數(shù)1.0 A；脈沖電源部分，脈沖寬度和頻率分別為200 μS 和100Hz，脈沖電壓值變化范圍為400~800 V。復(fù)合HIPIMS 過程中，靶電壓和電流分別采用Tektronix TPP0101 電壓探針和LT 58-S7 電流傳感器進(jìn)行檢測，通過Tektronix TDS1012c-sc 示波器輸出波形。基體電流通過檢測分別與基體架和大地相連的100 Ω 電阻的電壓，利用Ohm 定律計算獲得，如圖2所示。

圖1 脈沖與直流電源并聯(lián)的復(fù)合HIPIMS 原理圖

圖2 基體電流測試原理圖

　　基體電流測量過程中，基體偏壓0 V，基架面積為144 cm²，基體與陰極靶的距離為17.5 cm。MMLAB-prob1 Langmuir單探針用于分析復(fù)合HIPIMS 放電時的等離子體參數(shù)Vs，Te ，Ne，探頭為直徑0.2 mm，長5 mm圓柱形鎢絲，探針與Cr 靶的距離為7.5 cm。圖3為復(fù)合HIPIMS 放電過程中的Langmuir 探針伏安特性曲線，橫軸是探針的掃描電壓(E)，縱軸是探針收集的電流(I)，取電子電流(Ie)為正，離子電流(Ii )為負(fù)。圖中a，b，c 三個區(qū)域分別為離子電流飽和區(qū)，過渡區(qū)，電子電流飽和區(qū)。探針電流為0 時的電勢為等離子體懸浮電勢Vf (a 區(qū))。探針伏安特性曲線一階導(dǎo)數(shù)最大或二階導(dǎo)數(shù)為0的點對應(yīng)電位為Vs，對應(yīng)電流為飽和電子電流(Ies)；伏安特性曲線上使ln(Ie)-E 滿足線性關(guān)系區(qū)域(b 區(qū))的電流、電壓代入式(1)求得Te；Ne由式(2)[14]確定；式中，A 為探針收集電流的有效面積，k 為Boltzmann 常數(shù)，m 為電子質(zhì)量。

圖3 復(fù)合HIPIMS 放電時Langmuir 探針伏安特性曲線

　　3、結(jié)論

　　(1)脈沖電壓增加，電源供應(yīng)功率的增加促進(jìn)脈沖作用期間靶電壓絕對值增加；陰極位降區(qū)電場作用的增強(qiáng)有利于靶表面二次電子和氣體離子電量總和增加，促進(jìn)脈沖作用期間靶電流增加。放電強(qiáng)度的增加同樣也促使基體電流峰值增大。

　　(2)脈沖電壓增加，入射離子的能量和碰撞離化頻率增加，促進(jìn)Vs 和Te 降低，Ne 增加；當(dāng)Ti靶脈沖電壓>600 V 或Cr 靶脈沖電壓>700 V時，濺射功率效率降低，導(dǎo)致Vs 和Te 增加，Ne 降低。

　　(3)Cr 靶與Ti 靶相比，相同脈沖電壓下，前者靶電流、基體電流、Vs 和Te 更低，而Ne 更高，這說明復(fù)合HIPIMS 放電過程中存在高價態(tài)離子，相同脈沖電壓條件下Cr 靶放電的高價態(tài)離子密度小于Ti 靶的高價態(tài)離子密度。