6種靶材HiPIMS放電大不相同，設(shè)計(jì)工藝要知道!

HiPIMS放電，由于工作在放電曲線的特殊區(qū)域，其放電特性不僅依賴于使用的氣壓、電壓，更依賴于靶材。更由于HiPIMS工作模式是脈沖工作，其放電特性具有時(shí)間特征，而表現(xiàn)出不同的放電特性。這里我們選用常用的幾種靶材（Cu，Cr，Mo，Ti，V和C），給出了他們的放電特性。這種與時(shí)間相關(guān)的放電特性，對(duì)于工藝設(shè)計(jì)是非常重要的。

選擇具有不同濺射產(chǎn)額的靶材料(Cu，Cr，Mo，Ti，V和C)， 研究了其高功率脈沖磁控濺射(HPPMS)放電靶電流波形隨靶電壓的演化行為。發(fā)現(xiàn)所有材料都滿足5個(gè)階段順序放電特征，但是不同濺射產(chǎn)額的材料的相同放電階段所需要的靶電壓呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)， 根據(jù)放電難易的不同分別表現(xiàn)出一定階段的缺失。

選用不同濺射產(chǎn)額的Cu，Cr，Mo，V，Ti和C，6種靶材料。電源采用自行研制的高功率脈沖磁控濺射電源，工作氣體高純Ar氣。

1.對(duì)Cu材料放電來說，第一、二、四階段都比較明顯，第三階段并沒有直接觀察到，而是由第二階段直接過渡到第四階段，且進(jìn)入第四階段放電時(shí)的電壓值非常低，說明Cu非常容易過渡到第四階段，Cu在第四階段放電時(shí)， 位于靶電流后段的平臺(tái)電流值要遠(yuǎn)大于放電開始時(shí)所產(chǎn)生的電流峰值，且隨靶電壓的進(jìn)一步增加，平臺(tái)電流值不僅在數(shù)值上快速增加， 而且平臺(tái)在脈沖后端首先形成，隨后逐漸向前端擴(kuò)展，平臺(tái)寬度迅速增加，而第五階段則由于電流過大而頻繁“打弧”，圖中未給出。

2.Cr材料，其放電5個(gè)階段基本都可觀察到。與Cu放電不同的是，在放電的第四個(gè)階段，雖然靶電流平臺(tái)電流值也比較大，但是仍然低于前段產(chǎn)生的靶電流峰值，且靶電流平臺(tái)的產(chǎn)生是由前向后逐漸增加，直到形成平臺(tái)。

圖1(a)Cu和(b)Cr靶材的HPPMS放電靶電流波形隨靶電壓的變化曲線

3.Mo靶放電，其整個(gè)放電過程與Cr靶相似，5個(gè)階段也相對(duì)清晰相對(duì)Cu和Cr的平臺(tái)隨靶電壓脈沖寬度的延長(zhǎng)保持較平或降低而言，Mo的平臺(tái)值卻出現(xiàn)明顯的上翹，可能與自濺射過程中Mo的高價(jià)電離有關(guān)。4.V材料的放電比較弱，放電的第一階段不明顯，起輝后直接進(jìn)入第二階段，隨靶電壓的繼續(xù)增加，第三階段時(shí)靶電流前段的峰值就已經(jīng)非常高，如果進(jìn)一步增加靶電壓，將會(huì)頻繁的出現(xiàn)“打弧”現(xiàn)象，因此第四階段也只能看到靶電流峰值的前移和平臺(tái)增加的初期，第五階段幾乎無法實(shí)現(xiàn)，平臺(tái)值相對(duì)峰值還比較低。

圖2(c)Mo和(d)V靶材的HPPMS放電靶電流波形隨靶電壓的變化曲線

5.Ti材料的放電行為與V材料的放電相似，但比V的放電要弱，隨靶電壓的增加，主要表現(xiàn)為靶電流峰值的快速增加，而平臺(tái)值增加很慢，與峰值大小的差距也相對(duì)前述材料較大，相同階段所需的靶電壓值降低，當(dāng)靶電壓增加到620V時(shí)，就出現(xiàn)頻繁的“打弧”現(xiàn)象，此后的放電階段則基本無法實(shí)現(xiàn)。6.對(duì)于C材料放電，放電不穩(wěn)定，電流值也比較低，在較低的電流和電壓時(shí)，靶電流就容易迅速升高到非常大的值，進(jìn)而引起“打弧”現(xiàn)象.靶電流值的增加主要體現(xiàn)在第三階段開始時(shí)峰值的迅速增加，且其在靶電壓的脈沖尾部開始，表現(xiàn)出非常困難的放電行為。

圖3(e)Ti和(f)C靶材的HPPMS放電靶電流波形隨靶電壓的變化曲線

(1) 不同濺射產(chǎn)額的6種靶材料都滿足階段性放電特征，濺射產(chǎn)額高的靶材料很容易實(shí)現(xiàn)自濺射為主的金屬放電，其靶電流也主要由金屬放電所貢獻(xiàn)、放電穩(wěn)定。濺射產(chǎn)額低的靶材料放電靶電流主要由氣體放電組成，較高的電壓下很容易產(chǎn)生“打弧”現(xiàn)象。

(2) 在實(shí)際的工藝設(shè)計(jì)時(shí)，要注意這些放電特性，包括偏壓的相位設(shè)置等，因?yàn)椴煌胁呐c偏壓的組合會(huì)使得膜層中含有不同的氣體成分（如Ar或其他反應(yīng)氣體），進(jìn)而影響膜層的應(yīng)力、硬度和韌性，一定要注意。

參考文獻(xiàn)

吳忠振，劍豪，潘鋒等.不同靶材料的高功率脈沖磁控濺射放電行為[J].金屬學(xué)報(bào),2014,50(10):1279-1284.