李春偉，田修波，鞏春志，許建平

（1.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001；3.東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)工程博士后流動(dòng)站，哈爾濱 150040；4.黑龍江工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程系，哈爾濱 150050）

近年來(lái)，高功率脈沖磁控濺射(High Power Impulse Magnetron Sputtering，HIPIMS)技術(shù)以其較高的濺射金屬離化率而受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注[1—3]。相比傳統(tǒng)直流磁控濺射技術(shù)，HIPIMS技術(shù)的典型特征是利用較高的脈沖峰值功率和較低的脈沖占空比來(lái)產(chǎn)生高度濺射金屬離化率，由于脈沖作用時(shí)間短，其平均功率不高，因此陰極不會(huì)因過(guò)熱而增加靶冷卻的要求。它的峰值功率是普通磁控濺射的100倍，約為1000～3000 W/cm2，等離子體密度高達(dá)1018 m3數(shù)量級(jí)，而且如此高的離化束流不含大顆粒[1]。眾多的研究表明[4—7]，通過(guò)HIPIMS技術(shù)可獲得綜合性能極其優(yōu)異的薄膜。隨著研究的不斷深入，該技術(shù)的放電特性也因此備受關(guān)注。其中，André Anders等人[8]通過(guò)采用不同的靶材（Cu、Ti、Nb、C、W、Al 及 Cr），研究了 HIPIMS放電時(shí)的電壓-電流-時(shí)間關(guān)系。隨后，該小組還研究了Nb靶在氬氣和氪氣中的自濺射放電行為[9]。A.P.Ehiasarian等人[10]研究了Cr靶的HIPIMS放電等離子體成分。L.de Poucques等人[11]研究了 HIPIMS放電過(guò)程中各種粒子的輸運(yùn)過(guò)程。

金屬釩（V）作為一種高熔點(diǎn)的稀有金屬材料，常與鈮、鉭、鎢、鉬并稱(chēng)為難熔金屬。金屬釩具有耐鹽酸和硫酸的性能，并且耐氣-鹽-水腐蝕的性能要比大多數(shù)不銹鋼好[12]。在某些特殊的重要場(chǎng)合，金屬 V薄膜常被用來(lái)作為高溫隔離防護(hù)涂層，因此開(kāi)展V靶HIPIMS放電特性方面的研究工作具有重要的意義，但目前國(guó)內(nèi)外還未見(jiàn)到該方面的相關(guān)報(bào)道。本文研究了HIPIMS放電時(shí)不同氬氣氣壓下V靶脈沖電流及其等離子體發(fā)射光譜的表現(xiàn)形式和變化規(guī)律，可為HIPIMS技術(shù)的進(jìn)一步推廣及應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)涂層技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研制的高功率脈沖磁控放電系統(tǒng)，如圖1所示。真空室為直徑400 mm、高400 mm的不銹鋼雙層圓筒，層間有循環(huán)水冷結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)所用的電源為哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)涂層技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研制的高功率復(fù)合脈沖電源，輸出脈沖電流為0～200 A（最大可達(dá)2000 A），脈沖電壓為0～1000 V，且連續(xù)可調(diào)；輸出直流電流為0～15 A，電壓為0～1000 V，也連續(xù)可調(diào)。

實(shí)驗(yàn)使用φ50 mm×5 mm的V靶，本底真空度為5×10?3Pa，所用氣體為純度99.99%的高純氬氣。在高功率脈沖磁控濺射電源的陽(yáng)極輸出線上套一電流傳感器，采用Tektronix TDS1012B-SC示波器檢測(cè)高功率脈沖磁控放電電流。為了使測(cè)試信號(hào)清晰，采用示波器自帶的平均值平滑技術(shù)對(duì)電流波形進(jìn)行16倍平滑處理。通過(guò)對(duì)V靶在不同氣壓下的靶電流波形、峰值及平臺(tái)值、平均值等靶電流特征參數(shù)變化規(guī)律的研究，獲得了V磁控靶的HIPIMS放電伏安特性的變化規(guī)律。等離子體發(fā)射光譜測(cè)量設(shè)備采用荷蘭Avantes生產(chǎn)的Avaspec-3648型發(fā)射光譜儀，使用光譜儀直接針對(duì)V靶前等離子體成分進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)記錄不同工作氣壓下的發(fā)射光譜譜線，可以對(duì)其等離子體成分和粒子離化率進(jìn)行計(jì)算分析。放電特性測(cè)量的工藝參數(shù)為：靶脈沖電壓510、530、550、570、590、610 V，脈寬 250 μs，頻率 50 Hz，Ar流量10 mL/min，工作氣壓0.35、0.5、0.7、0.9 Pa。V膜制備工藝參數(shù)為：工作氣壓0.5 Pa，V靶脈沖電壓590 V，脈寬250 μs，頻率50 Hz，直流偏壓?100 V，靶基距10 cm。利用FEI Sirion 200型掃描電子顯微鏡對(duì)V膜的截面形貌進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果及分析

2.1 伏安特性分析

高功率脈沖磁控濺射電源的工作環(huán)境為等離子體負(fù)載，其放電規(guī)律研究也是在等離子體負(fù)載下進(jìn)行的。靶脈沖電流是HIPIMS放電特性的重要參數(shù)之一，主要源于陰極靶表面逸出電子和氣體離子對(duì)靶表面的碰撞，而氣體放電與工作氣壓密切相關(guān)。通常情況下，靶脈沖電流由峰值電流和平臺(tái)電流組成。其中，靶脈沖峰值電流是指脈沖放電開(kāi)始后，靶電流所達(dá)到的第一個(gè)峰值，該峰值主要反映脈沖放電開(kāi)始時(shí)的氣體放電狀況。靶脈沖平臺(tái)電流是指脈沖放電達(dá)到平衡后，靶電流呈現(xiàn)出的平臺(tái)值，該值一般反映靶材料自身的濺射參數(shù)，與金屬放電狀況緊密相關(guān)[13]。

圖2為不同氣壓下V靶電流波形隨靶電壓的變化關(guān)系。由圖2可見(jiàn)，在不同氣壓下，隨著靶脈沖電壓的增加，靶脈沖電流波形形狀的變化規(guī)律大致相似，主要經(jīng)歷了如下過(guò)程：在較低氣壓（0.35 Pa和0.5 Pa）下，V靶放電微弱，靶峰值電流和平臺(tái)電流隨靶電壓的增加上升緩慢，并且靶脈沖峰值電流與平臺(tái)電流的差值很??；而在較高氣壓(0.9 Pa)下，V靶放電較強(qiáng)，隨著靶電壓的升高，靶電流前段的峰值電流和尾部的平臺(tái)電流均快速增加，但平臺(tái)電流與峰值電流差值逐漸增大。分析認(rèn)為，靶脈沖峰值電流主要由氣體放電決定，工作氣壓增加時(shí)，系統(tǒng)中的氣體粒子增多，導(dǎo)致氣體放電增強(qiáng)，靶脈沖峰值電流迅速增大。而靶脈沖平臺(tái)電流則取決于靶材料和功率，與靶材料的自濺射有關(guān)，與氣體放電關(guān)系不大，因此增大工作氣壓，靶脈沖平臺(tái)電流增加較小，從而導(dǎo)致靶脈沖峰值電流與平臺(tái)電流的差值逐漸增大。

圖3給出了不同氣壓下V靶電流峰值和平臺(tái)值隨靶電壓的變化規(guī)律。由圖3可見(jiàn)，不同氣壓下，V靶電流峰值和平臺(tái)值隨靶電壓的變化規(guī)律大致相似，即隨靶電壓的增加，兩者均表現(xiàn)出不同程度地增加。當(dāng)靶電壓較低（小于570 V）時(shí)，兩者隨氣壓的增加變化平緩；當(dāng)靶電壓較高（大于570 V）時(shí)，兩者隨氣壓的增加而急劇升高。但是，靶電流峰值的增加速度要明顯高于平臺(tái)值的。這是因?yàn)橄到y(tǒng)中的中性氣體粒子數(shù)量隨著工作氣壓的增加而增加，而靶電流峰值正是由氣體放電決定的，故其隨工作氣壓的變化更加明顯。當(dāng)氣壓為0.9 Pa時(shí)，V靶電流峰值最高可達(dá)140 A，表明此時(shí)真空系統(tǒng)內(nèi)V靶HIPIMS放電已相當(dāng)劇烈，并出現(xiàn)頻繁打火現(xiàn)象。

靶電流平均值是一個(gè)脈沖內(nèi)的靶電流值積分后除以靶電流脈寬，可以反映系統(tǒng)放電的劇烈程度。圖4給出了不同氣壓下靶電流平均值隨靶電壓的變化規(guī)律。由圖4可見(jiàn)，隨著靶電壓的增加，靶電流平均值逐漸增加，而且增加的速度越來(lái)越快。此外，隨著工作氣壓的增加，靶電流呈上升趨勢(shì)。分析認(rèn)為，在低氣壓時(shí)，氬離子的平均自由程大，使得V靶和Ar分子相互碰撞的次數(shù)少，產(chǎn)生的二次電子數(shù)目也少，放電減弱或陰極捕集離子的效率低，因此在低氣壓時(shí)，V靶的電流平均值小。隨著工作氣壓的增大，Ar離子與V靶之間的碰撞次數(shù)增大，產(chǎn)生的二次電子數(shù)目增多，放電增強(qiáng)，從而使靶電流開(kāi)始上升。故在同樣的靶電壓下，靶電流平均值增大，此結(jié)果和A.Anders等人[8]的研究結(jié)果一致。

2.2 放電光譜特性

圖5 給出了不同氣壓下發(fā)射光譜強(qiáng)度隨靶電壓的變化規(guī)律。由圖5可見(jiàn)，不同氣壓下，HIPIMS放電等離子體的發(fā)射光譜出現(xiàn)大量的峰值，主要表現(xiàn)為Ar0峰（774.1 nm）、Ar+峰（844.49 nm）、V0峰（813.68 nm）和V+峰（765.77 nm）。四種譜線峰的光譜強(qiáng)度均隨靶電壓的增加而增加。相同靶電壓時(shí)，其光譜強(qiáng)度隨氣壓的增加而增加。

圖6給出了不同氣壓下Ar0峰（774.1 nm）和Ar+峰（844.59 nm）的光譜強(qiáng)度隨靶電壓的變化關(guān)系。由圖6可見(jiàn)，不同氣壓下的所有Ar0和Ar+譜線強(qiáng)度均隨靶電壓的增加而增加，在較高的工作氣壓和靶電壓下，Ar0和 Ar+的譜線強(qiáng)度較高。這是因?yàn)锳r離子來(lái)源于Ar原子的離化，雖然也存在于整個(gè)放電空間，但其可以在靶負(fù)電位的作用下被吸引到靶材表面參與濺射，進(jìn)而大量地進(jìn)入光譜儀監(jiān)測(cè)的靶前等離子體中，因此檢測(cè)到的Ar離子強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于Ar原子強(qiáng)度。此外，在較高氣壓（0.9 Pa）下，當(dāng)靶電壓升高到610 V時(shí)，Ar0和Ar+的譜線

強(qiáng)度突然上升，這與實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的真空室內(nèi)劇烈打火現(xiàn)象相一致，表明 V靶在該靶電壓和工作氣壓下已處于臨界工作狀態(tài)。

圖7給出了不同氣壓下V0峰（813.68 nm）和V+峰（765.77 nm）的光譜強(qiáng)度隨靶電壓的變化曲線。由圖7可見(jiàn)，不同氣壓下，隨著靶電壓的增加，V0峰和V+峰的譜線強(qiáng)度均逐漸增加，但V0峰譜線強(qiáng)度的增加速度要明顯高于V+峰。金屬V原子主要是由參與濺射的Ar離子轟擊V靶濺射出來(lái)，并直接進(jìn)入靶前等離子體中，故檢測(cè)到的 V原子光譜強(qiáng)度非常大。

選擇等離子體中的離子和激發(fā)態(tài)原子所對(duì)應(yīng)的譜線，統(tǒng)計(jì)其強(qiáng)度后，計(jì)算等離子體中各種離子的離化率，計(jì)算公式[14]如下：

圖8給出了不同氣壓時(shí)靶前等離子體中Ar和V的離化率隨靶電壓的變化曲線。由圖8可見(jiàn)，隨著靶電壓的增加，Ar和V的離化率均增加，并且在靶電壓為610 V時(shí)達(dá)到最高，分別為78%和35%。

2.3 V膜截面形貌

圖9 給出了采用HIPIMS方法在硅片上制備的V膜的截面SEM形貌照片，可以看出，V膜與硅片基體間的界面結(jié)合狀況良好。與傳統(tǒng)磁控濺射技術(shù)相比，采用HIPIMS制備的V膜結(jié)構(gòu)非常致密、光滑，無(wú)柱狀晶生長(zhǎng)形貌特征，晶粒呈現(xiàn)出細(xì)化的傾向。相關(guān)研究表明[15—16]，致密的膜層結(jié)構(gòu)有利于獲得綜合性能優(yōu)異的涂層。

3 結(jié)論

1）不同氣壓下，隨著靶電壓的增加，靶電流峰值、靶電流平臺(tái)值及靶電流平均值均單調(diào)增加，而且增加的速度越來(lái)越快，同時(shí)靶電流峰值的增加速度要明顯高于平臺(tái)值。

2）HIPIMS放電時(shí)，V靶前等離子體成分主要為Ar0、Ar+、V0和V+。不同氣壓下，該四種譜線峰的光譜強(qiáng)度均隨靶電壓的增加而增加；相同靶電壓時(shí)，其光譜強(qiáng)度隨氣壓的增加而增加。

3）HIPIMS系統(tǒng)放電等離子體中的Ar和V的離化率在氣壓為0.9 Pa、靶電壓為610 V時(shí)達(dá)到最高，分別為78%和35%。

4）利用HIPIMS技術(shù)制備的V膜光滑、致密，無(wú)柱狀晶生長(zhǎng)形貌特征。