复合高功率脉冲磁控溅射放电等离子体特性
高功率脉冲磁控溅射具有高的金属离化率，在薄膜制备表现出巨大的优势，成为当前磁控溅射技术领域一个新的发展趋势。高功率脉冲磁控溅射的放电特性、等离子体特性等微观参数对薄膜质量控制具有决定性作用，分析宏观参数如何影响微观参数，有利于提高薄膜质量，稳定工艺。因此，本文研究了脉冲与直流电源并联模式的复合高功率脉冲磁控溅射过程中，脉冲电压(400~800 V)对Ti、Cr 靶在Ar气氛中的放电特性、等离子体参数(等离子体电势、电子温度、电子密度)、基体电流的影响。结果表明：复合高功率脉冲磁控溅射Ti、Cr 靶放电过程中，脉冲电压的增加有利于脉冲作用期间的靶电压、靶电流、基体电流增加；当Ti 靶脉冲电压为600 V 或Cr 靶脉冲电压为700 V 时，电子密度出现较大值。Cr 靶与Ti 靶放电相比，前者的靶电流、基体电流、等离子体电势、电子温度比后者更高，而电子密度却更低。
高功率脉冲磁控溅射( high power impulse magnetron sputtering，HIPIMS)是一种利用高脉冲峰值功率和低脉冲占空比来产生高溅射原子离化率的磁控溅射技术，是当前磁控溅射技术领域一个新的发展趋势。高的溅射原子离化率能够产生高密度等离子体，从而增强反应活性，提高薄膜质量，并有利于实现复杂形状工件的薄膜沉积。
薄膜的质量主要取决于薄膜沉积过程中的微观参数例如等离子体电势、电子温度、等离子体电子密度等，建立宏观工艺参数与微观参数之间的作用规律，有利于反馈优化。本文采用脉冲与直流电源并联模式的复合HIPIMS，针对Ti、Cr靶研究脉冲电压对复合HIPIMS 过程中的靶电压、靶电流、电子密度(Ne)、电子温度(Te)、等离子体电势(Vs)以及基体电流等微观参数的影响。
1、实验设备与方法
本文实验设备为磁过滤阴极真空电弧复合溅射薄膜沉积设备(P600-1 型)，由课题组自主研发设计，与韩国JNL 公司合作加工制造，其原理图见文献。复合HIPIMS 由脉冲与直流电源并联，分别采用恒压和恒流模式同时作用于等离子体负载，如图1 所示。实验在Ar 气氛中进行，溅射靶为Ti、Cr(质量分数99.9%)，本底真空度3×10-3 Pa，工作气压0.3 Pa。复合HIPIMS 直流电源部分耦合直流电流保持常数1.0 A；脉冲电源部分，脉冲宽度和频率分别为200 μS 和100Hz，脉冲电压值变化范围为400~800 V。复合HIPIMS 过程中，靶电压和电流分别采用Tektronix TPP0101 电压探针和LT 58-S7 电流传感器进行检测，通过Tektronix TDS1012c-sc 示波器输出波形。基体电流通过检测分别与基体架和大地相连的100 Ω 电阻的电压，利用Ohm 定律计算获得，如图2所示。
图1 脉冲与直流电源并联的复合HIPIMS 原理图
图2 基体电流测试原理图
基体电流测量过程中，基体偏压0 V，基架面积为144 cm2，基体与阴极靶的距离为17.5 cm。MMLAB-prob1 Langmuir单探针用于分析复合HIPIMS 放电时的等离子体参数Vs，Te ，Ne，探头为直径0.2 mm，长5 mm圆柱形钨丝，探针与Cr 靶的距离为7.5 cm。图3为复合HIPIMS 放电过程中的Langmuir 探针伏安特性曲线，横轴是探针的扫描电压(E)，纵轴是探针收集的电流(I)，取电子电流(Ie)为正，离子电流(Ii )为负。图中a，b，c 三个区域分别为离子电流饱和区，过渡区，电子电流饱和区。探针电流为0 时的电势为等离子体悬浮电势Vf (a 区)。探针伏安特性曲线一阶导数最大或二阶导数为0的点对应电位为Vs，对应电流为饱和电子电流(Ies)；伏安特性曲线上使ln(Ie)-E 满足线性关系区域(b 区)的电流、电压代入式(1)求得Te；Ne由式(2)[14]确定；式中，A 为探针收集电流的有效面积，k 为Boltzmann 常数，m 为电子质量。
图3 复合HIPIMS 放电时Langmuir 探针伏安特性曲线
3、结论
(1)脉冲电压增加，电源供应功率的增加促进脉冲作用期间靶电压绝对值增加；阴极位降区电场作用的增强有利于靶表面二次电子和气体离子电量总和增加，促进脉冲作用期间靶电流增加。放电强度的增加同样也促使基体电流峰值增大。
(2)脉冲电压增加，入射离子的能量和碰撞离化频率增加，促进Vs 和Te 降低，Ne 增加；当Ti靶脉冲电压>600 V 或Cr 靶脉冲电压>700 V时，溅射功率效率降低，导致Vs 和Te 增加，Ne 降低。
(3)Cr 靶与Ti 靶相比，相同脉冲电压下，前者靶电流、基体电流、Vs 和Te 更低，而Ne 更高，这说明复合HIPIMS 放电过程中存在高价态离子，相同脉冲电压条件下Cr 靶放电的高价态离子密度小于Ti 靶的高价态离子密度。
