不同氩气气压下钒靶HIPIMS放电特性的演变

李春伟，田修波，巩春志，许建平

（1.东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040；2.哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001；3.东北林业大学 林业工程博士后流动站，哈尔滨 150040；4.黑龙江工程学院 材料与化学工程系，哈尔滨 150050）

近年来，高功率脉冲磁控溅射(High Power Impulse Magnetron Sputtering，HIPIMS)技术以其较高的溅射金属离化率而受到国内外广泛关注[1—3]。相比传统直流磁控溅射技术，HIPIMS技术的典型特征是利用较高的脉冲峰值功率和较低的脉冲占空比来产生高度溅射金属离化率，由于脉冲作用时间短，其平均功率不高，因此阴极不会因过热而增加靶冷却的要求。它的峰值功率是普通磁控溅射的100倍，约为1000～3000 W/cm2，等离子体密度高达1018 m3数量级，而且如此高的离化束流不含大颗粒[1]。众多的研究表明[4—7]，通过HIPIMS技术可获得综合性能极其优异的薄膜。随着研究的不断深入，该技术的放电特性也因此备受关注。其中，André Anders等人[8]通过采用不同的靶材（Cu、Ti、Nb、C、W、Al 及 Cr），研究了 HIPIMS放电时的电压-电流-时间关系。随后，该小组还研究了Nb靶在氩气和氪气中的自溅射放电行为[9]。A.P.Ehiasarian等人[10]研究了Cr靶的HIPIMS放电等离子体成分。L.de Poucques等人[11]研究了 HIPIMS放电过程中各种粒子的输运过程。

金属钒（V）作为一种高熔点的稀有金属材料，常与铌、钽、钨、钼并称为难熔金属。金属钒具有耐盐酸和硫酸的性能，并且耐气-盐-水腐蚀的性能要比大多数不锈钢好[12]。在某些特殊的重要场合，金属 V薄膜常被用来作为高温隔离防护涂层，因此开展V靶HIPIMS放电特性方面的研究工作具有重要的意义，但目前国内外还未见到该方面的相关报道。本文研究了HIPIMS放电时不同氩气气压下V靶脉冲电流及其等离子体发射光谱的表现形式和变化规律，可为HIPIMS技术的进一步推广及应用提供理论依据。

1 实验

实验设备为哈尔滨工业大学先进涂层技术实验室研制的高功率脉冲磁控放电系统，如图1所示。真空室为直径400 mm、高400 mm的不锈钢双层圆筒，层间有循环水冷结构。实验所用的电源为哈尔滨工业大学先进涂层技术实验室研制的高功率复合脉冲电源，输出脉冲电流为0～200 A（最大可达2000 A），脉冲电压为0～1000 V，且连续可调；输出直流电流为0～15 A，电压为0～1000 V，也连续可调。

实验使用φ50 mm×5 mm的V靶，本底真空度为5×10−3Pa，所用气体为纯度99.99%的高纯氩气。在高功率脉冲磁控溅射电源的阳极输出线上套一电流传感器，采用Tektronix TDS1012B-SC示波器检测高功率脉冲磁控放电电流。为了使测试信号清晰，采用示波器自带的平均值平滑技术对电流波形进行16倍平滑处理。通过对V靶在不同气压下的靶电流波形、峰值及平台值、平均值等靶电流特征参数变化规律的研究，获得了V磁控靶的HIPIMS放电伏安特性的变化规律。等离子体发射光谱测量设备采用荷兰Avantes生产的Avaspec-3648型发射光谱仪，使用光谱仪直接针对V靶前等离子体成分进行检测，通过记录不同工作气压下的发射光谱谱线，可以对其等离子体成分和粒子离化率进行计算分析。放电特性测量的工艺参数为：靶脉冲电压510、530、550、570、590、610 V，脉宽 250 µs，频率 50 Hz，Ar流量10 mL/min，工作气压0.35、0.5、0.7、0.9 Pa。V膜制备工艺参数为：工作气压0.5 Pa，V靶脉冲电压590 V，脉宽250 μs，频率50 Hz，直流偏压−100 V，靶基距10 cm。利用FEI Sirion 200型扫描电子显微镜对V膜的截面形貌进行观察。

2 结果及分析

2.1 伏安特性分析

高功率脉冲磁控溅射电源的工作环境为等离子体负载，其放电规律研究也是在等离子体负载下进行的。靶脉冲电流是HIPIMS放电特性的重要参数之一，主要源于阴极靶表面逸出电子和气体离子对靶表面的碰撞，而气体放电与工作气压密切相关。通常情况下，靶脉冲电流由峰值电流和平台电流组成。其中，靶脉冲峰值电流是指脉冲放电开始后，靶电流所达到的第一个峰值，该峰值主要反映脉冲放电开始时的气体放电状况。靶脉冲平台电流是指脉冲放电达到平衡后，靶电流呈现出的平台值，该值一般反映靶材料自身的溅射参数，与金属放电状况紧密相关[13]。

图2为不同气压下V靶电流波形随靶电压的变化关系。由图2可见，在不同气压下，随着靶脉冲电压的增加，靶脉冲电流波形形状的变化规律大致相似，主要经历了如下过程：在较低气压（0.35 Pa和0.5 Pa）下，V靶放电微弱，靶峰值电流和平台电流随靶电压的增加上升缓慢，并且靶脉冲峰值电流与平台电流的差值很小；而在较高气压(0.9 Pa)下，V靶放电较强，随着靶电压的升高，靶电流前段的峰值电流和尾部的平台电流均快速增加，但平台电流与峰值电流差值逐渐增大。分析认为，靶脉冲峰值电流主要由气体放电决定，工作气压增加时，系统中的气体粒子增多，导致气体放电增强，靶脉冲峰值电流迅速增大。而靶脉冲平台电流则取决于靶材料和功率，与靶材料的自溅射有关，与气体放电关系不大，因此增大工作气压，靶脉冲平台电流增加较小，从而导致靶脉冲峰值电流与平台电流的差值逐渐增大。

图3给出了不同气压下V靶电流峰值和平台值随靶电压的变化规律。由图3可见，不同气压下，V靶电流峰值和平台值随靶电压的变化规律大致相似，即随靶电压的增加，两者均表现出不同程度地增加。当靶电压较低（小于570 V）时，两者随气压的增加变化平缓；当靶电压较高（大于570 V）时，两者随气压的增加而急剧升高。但是，靶电流峰值的增加速度要明显高于平台值的。这是因为系统中的中性气体粒子数量随着工作气压的增加而增加，而靶电流峰值正是由气体放电决定的，故其随工作气压的变化更加明显。当气压为0.9 Pa时，V靶电流峰值最高可达140 A，表明此时真空系统内V靶HIPIMS放电已相当剧烈，并出现频繁打火现象。

靶电流平均值是一个脉冲内的靶电流值积分后除以靶电流脉宽，可以反映系统放电的剧烈程度。图4给出了不同气压下靶电流平均值随靶电压的变化规律。由图4可见，随着靶电压的增加，靶电流平均值逐渐增加，而且增加的速度越来越快。此外，随着工作气压的增加，靶电流呈上升趋势。分析认为，在低气压时，氩离子的平均自由程大，使得V靶和Ar分子相互碰撞的次数少，产生的二次电子数目也少，放电减弱或阴极捕集离子的效率低，因此在低气压时，V靶的电流平均值小。随着工作气压的增大，Ar离子与V靶之间的碰撞次数增大，产生的二次电子数目增多，放电增强，从而使靶电流开始上升。故在同样的靶电压下，靶电流平均值增大，此结果和A.Anders等人[8]的研究结果一致。

2.2 放电光谱特性

图5 给出了不同气压下发射光谱强度随靶电压的变化规律。由图5可见，不同气压下，HIPIMS放电等离子体的发射光谱出现大量的峰值，主要表现为Ar0峰（774.1 nm）、Ar+峰（844.49 nm）、V0峰（813.68 nm）和V+峰（765.77 nm）。四种谱线峰的光谱强度均随靶电压的增加而增加。相同靶电压时，其光谱强度随气压的增加而增加。

图6给出了不同气压下Ar0峰（774.1 nm）和Ar+峰（844.59 nm）的光谱强度随靶电压的变化关系。由图6可见，不同气压下的所有Ar0和Ar+谱线强度均随靶电压的增加而增加，在较高的工作气压和靶电压下，Ar0和 Ar+的谱线强度较高。这是因为Ar离子来源于Ar原子的离化，虽然也存在于整个放电空间，但其可以在靶负电位的作用下被吸引到靶材表面参与溅射，进而大量地进入光谱仪监测的靶前等离子体中，因此检测到的Ar离子强度要远大于Ar原子强度。此外，在较高气压（0.9 Pa）下，当靶电压升高到610 V时，Ar0和Ar+的谱线

强度突然上升，这与实验中观测到的真空室内剧烈打火现象相一致，表明 V靶在该靶电压和工作气压下已处于临界工作状态。

图7给出了不同气压下V0峰（813.68 nm）和V+峰（765.77 nm）的光谱强度随靶电压的变化曲线。由图7可见，不同气压下，随着靶电压的增加，V0峰和V+峰的谱线强度均逐渐增加，但V0峰谱线强度的增加速度要明显高于V+峰。金属V原子主要是由参与溅射的Ar离子轰击V靶溅射出来，并直接进入靶前等离子体中，故检测到的 V原子光谱强度非常大。

选择等离子体中的离子和激发态原子所对应的谱线，统计其强度后，计算等离子体中各种离子的离化率，计算公式[14]如下：

图8给出了不同气压时靶前等离子体中Ar和V的离化率随靶电压的变化曲线。由图8可见，随着靶电压的增加，Ar和V的离化率均增加，并且在靶电压为610 V时达到最高，分别为78%和35%。

2.3 V膜截面形貌

图9 给出了采用HIPIMS方法在硅片上制备的V膜的截面SEM形貌照片，可以看出，V膜与硅片基体间的界面结合状况良好。与传统磁控溅射技术相比，采用HIPIMS制备的V膜结构非常致密、光滑，无柱状晶生长形貌特征，晶粒呈现出细化的倾向。相关研究表明[15—16]，致密的膜层结构有利于获得综合性能优异的涂层。

3 结论

1）不同气压下，随着靶电压的增加，靶电流峰值、靶电流平台值及靶电流平均值均单调增加，而且增加的速度越来越快，同时靶电流峰值的增加速度要明显高于平台值。

2）HIPIMS放电时，V靶前等离子体成分主要为Ar0、Ar+、V0和V+。不同气压下，该四种谱线峰的光谱强度均随靶电压的增加而增加；相同靶电压时，其光谱强度随气压的增加而增加。

3）HIPIMS系统放电等离子体中的Ar和V的离化率在气压为0.9 Pa、靶电压为610 V时达到最高，分别为78%和35%。

4）利用HIPIMS技术制备的V膜光滑、致密，无柱状晶生长形貌特征。