HiPIMS有無局部離化區(qū)的放電對比研究

引言

高功率脈沖磁控濺射技術(shù)（HiPIMS）因磁場約束放電，其靶材附近的放電形式變化多樣。放電的不穩(wěn)定性，等離子體均勻性，等離子體的磁約束情況都是非常值得研究的內(nèi)容，如等離子體局部離化，電子逃逸等導(dǎo)致的等離子體形狀變化如條形斑圖，環(huán)狀斑圖等。因此，直觀地研究這些放電的局部情況將有助于我們更好地理解HiPIMS放電，尤其應(yīng)對不同放電條件如氣壓，電流以及不同靶材下的等離子體放電。本文將采用高分辨光譜影像學(xué)來列舉不同靶材，不同電流下的靶材附近觀察到的局部離化情況。

點(diǎn)睛

1）不同電流下靶材附近的放電強(qiáng)度的高分辨光譜影像學(xué)對比分析；

2） 不同靶材材料的放電斑圖對比研究放電形式的演變；

內(nèi)容

如圖1，實(shí)驗(yàn)采用Cu，Nb和Ti三種材料的靶材進(jìn)行不同電流下的HiPIMS放電濺射研究，第一直覺我們看到了不同的局部離化斑圖，非常漂亮，也很有意思。首先，當(dāng)電流都非常低時(shí)0.2A,三種靶材附近的放電都很弱但角向分布卻很均勻，非常均勻的環(huán)狀分布，這些分布主要垂直與磁力線，說明低電流下整個放電處于初始離化狀態(tài)未形成離化區(qū)。但當(dāng)繼續(xù)增加HiPIMS電流時(shí)，對于三種靶材都觀察到外環(huán)的非均勻的局部增強(qiáng)型放電并伴隨著各種菱形放電斑圖，此時(shí)形成了外環(huán)的強(qiáng)烈局部離化。

 圖1.不同電流下的Cu,Nb,Ti三種靶材附近的放電斑圖

但對于Cu靶材，當(dāng)電流達(dá)到300A時(shí)，我們可以看到外圈的局部不均勻的增強(qiáng)型離化逐漸消失，取而代之的是均勻的放電環(huán)，與較低電流時(shí)類似，說明局部(點(diǎn)狀)的不均勻離化消失。但是對于Nb，Ti靶材卻沒有形成與Cu靶材相類似的結(jié)果。

通過對靶材附近的放電進(jìn)行離子能量分析可得到解釋，其解釋主要為，對于Cu靶材其具有較高的離化率，每個離子可以濺射大概2.5個Cu原子，但對于Nb與Ti卻只有0.5個原子，而氣體離子繼續(xù)進(jìn)行高強(qiáng)度的粒子轟擊濺射。因此，我們可以看到對于Cu靶材在300A就可以達(dá)到均勻的放電，局部增強(qiáng)離化消失，但對于Nb,Ti卻一直不能達(dá)到均勻的放電，局部離化一直持續(xù)。

延伸

1) 離化差異除與材料本身的性質(zhì)外是否對磁場的磁化也有關(guān)；

2) 進(jìn)一步還需要延伸不同材料的離化濺射能的閾值能量是多少，這樣可能有助于更好地理解材料與等離子體作用的關(guān)系。