高功率脈沖磁控濺射具有高的金屬離化率，在薄膜制備表現出巨大的優勢，成為當前磁控濺射技術領域一個新的發展趨勢。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對薄膜質量控制具有決定性作用，分析宏觀參數如何影響微觀參數，有利于提高薄膜質量，穩定工藝。因此，本文研究了脈沖與直流電源并聯模式的復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(等離子體電勢、電子溫度、電子密度)、基體電流的影響。結果表明：復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生高濺射原子離化率的磁控濺射技術，是當前磁控濺射技術領域一個新的發展趨勢。高的濺射原子離化率能夠產生高密度等離子體，從而增強反應活性，提高薄膜質量，并有利于實現復雜形狀工件的薄膜沉積。

　　薄膜的質量主要取決于薄膜沉積過程中的微觀參數例如等離子體電勢、電子溫度、等離子體電子密度等，建立宏觀工藝參數與微觀參數之間的作用規律，有利于反饋優化。本文采用脈沖與直流電源并聯模式的復合HIPIMS，針對Ti、Cr靶研究脈沖電壓對復合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的影響。

　　1、實驗設備與方法

　　本文實驗設備為磁過濾陰極真空電弧復合濺射薄膜沉積設備(P600-1 型)，由課題組自主研發設計，與韓國JNL 公司合作加工制造，其原理圖見文獻。復合HIPIMS 由脈沖與直流電源并聯，分別采用恒壓和恒流模式同時作用于等離子體負載，如圖1 所示。實驗在Ar 氣氛中進行，濺射靶為Ti、Cr(質量分數99.9%)，本底真空度3×10^-3 Pa，工作氣壓0.3 Pa。復合HIPIMS 直流電源部分耦合直流電流保持常數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的復合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單探針用于分析復合HIPIMS 放電時的等離子體參數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。圖中a，b，c 三個區域分別為離子電流飽和區，過渡區，電子電流飽和區。探針電流為0 時的電勢為等離子體懸浮電勢Vf (a 區)。探針伏安特性曲線一階導數最大或二階導數為0的點對應電位為Vs，對應電流為飽和電子電流(Ies)；伏安特性曲線上使ln(Ie)-E 滿足線性關系區域(b 區)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，m 為電子質量。

圖3 復合HIPIMS 放電時Langmuir 探針伏安特性曲線

　　3、結論

　　(1)脈沖電壓增加，電源供應功率的增加促進脈沖作用期間靶電壓絕對值增加；陰極位降區電場作用的增強有利于靶表面二次電子和氣體離子電量總和增加，促進脈沖作用期間靶電流增加。放電強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Vs 和Te 降低，Ne 增加；當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，這說明復合HIPIMS 放電過程中存在高價態離子，相同脈沖電壓條件下Cr 靶放電的高價態離子密度小于Ti 靶的高價態離子密度。