6種靶材HiPIMS放電大不相同，設計工藝要知道!

HiPIMS放電，由于工作在放電曲線的特殊區域，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，其放電特性具有時間特征，而表現出不同的放電特性。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。這種與時間相關的放電特性，對于工藝設計是非常重要的。

選擇具有不同濺射產額的靶材料(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。發現所有材料都滿足5個階段順序放電特征，但是不同濺射產額的材料的相同放電階段所需要的靶電壓呈現先增加后下降的趨勢， 根據放電難易的不同分別表現出一定階段的缺失。

選用不同濺射產額的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，且進入第四階段放電時的電壓值非常低，說明Cu非常容易過渡到第四階段，Cu在第四階段放電時， 位于靶電流后段的平臺電流值要遠大于放電開始時所產生的電流峰值，且隨靶電壓的進一步增加，平臺電流值不僅在數值上快速增加， 而且平臺在脈沖后端首先形成，隨后逐漸向前端擴展，平臺寬度迅速增加，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個階段基本都可觀察到。與Cu放電不同的是，在放電的第四個階段，雖然靶電流平臺電流值也比較大，但是仍然低于前段產生的靶電流峰值，且靶電流平臺的產生是由前向后逐漸增加，直到形成平臺。

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，其整個放電過程與Cr靶相似，5個階段也相對清晰相對Cu和Cr的平臺隨靶電壓脈沖寬度的延長保持較平或降低而言，Mo的平臺值卻出現明顯的上翹，可能與自濺射過程中Mo的高價電離有關。4.V材料的放電比較弱，放電的第一階段不明顯，起輝后直接進入第二階段，隨靶電壓的繼續增加，第三階段時靶電流前段的峰值就已經非常高，如果進一步增加靶電壓，將會頻繁的出現“打弧”現象，因此第四階段也只能看到靶電流峰值的前移和平臺增加的初期，第五階段幾乎無法實現，平臺值相對峰值還比較低。

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，主要表現為靶電流峰值的快速增加，而平臺值增加很慢，與峰值大小的差距也相對前述材料較大，相同階段所需的靶電壓值降低，當靶電壓增加到620V時，就出現頻繁的“打弧”現象，此后的放電階段則基本無法實現。6.對于C材料放電，放電不穩定，電流值也比較低，在較低的電流和電壓時，靶電流就容易迅速升高到非常大的值，進而引起“打弧”現象.靶電流值的增加主要體現在第三階段開始時峰值的迅速增加，且其在靶電壓的脈沖尾部開始，表現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) 不同濺射產額的6種靶材料都滿足階段性放電特征，濺射產額高的靶材料很容易實現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、放電穩定。濺射產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生“打弧”現象。

(2) 在實際的工藝設計時，要注意這些放電特性，包括偏壓的相位設置等，因為不同靶材與偏壓的組合會使得膜層中含有不同的氣體成分（如Ar或其他反應氣體），進而影響膜層的應力、硬度和韌性，一定要注意。

參考文獻

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].金屬學報,2014,50(10):1279-1284.