HiPIMS有无局部离化区的放电对比研究

引言

高功率脉冲磁控溅射技术（HiPIMS）因磁场约束放电，其靶材附近的放电形式变化多样。放电的不稳定性，等离子体均匀性，等离子体的磁约束情况都是非常值得研究的内容，如等离子体局部离化，电子逃逸等导致的等离子体形状变化如条形斑图，环状斑图等。因此，直观地研究这些放电的局部情况将有助于我们更好地理解HiPIMS放电，尤其应对不同放电条件如气压，电流以及不同靶材下的等离子体放电。本文将采用高分辨光谱影像学来列举不同靶材，不同电流下的靶材附近观察到的局部离化情况。

点睛

1）不同电流下靶材附近的放电强度的高分辨光谱影像学对比分析；

2） 不同靶材材料的放电斑图对比研究放电形式的演变；

内容

如图1，实验采用Cu，Nb和Ti三种材料的靶材进行不同电流下的HiPIMS放电溅射研究，直觉我们看到了不同的局部离化斑图，非常漂亮，也很有意思。首先，当电流都非常低时0.2A,三种靶材附近的放电都很弱但角向分布却很均匀，非常均匀的环状分布，这些分布主要垂直与磁力线，说明低电流下整个放电处于初始离化状态未形成离化区。但当继续增加HiPIMS电流时，对于三种靶材都观察到外环的非均匀的局部增强型放电并伴随着各种菱形放电斑图，此时形成了外环的强烈局部离化。

图1.不同电流下的Cu,Nb,Ti三种靶材附近的放电斑图

但对于Cu靶材，当电流达到300A时，我们可以看到外圈的局部不均匀的增强型离化逐渐消失，取而代之的是均匀的放电环，与较低电流时类似，说明局部(点状)的不均匀离化消失。但是对于Nb，Ti靶材却没有形成与Cu靶材相类似的结果。

通过对靶材附近的放电进行离子能量分析可得到解释，其解释主要为，对于Cu靶材其具有较高的离化率，每个离子可以溅射大概2.5个Cu原子，但对于Nb与Ti却只有0.5个原子，而气体离子继续进行高强度的粒子轰击溅射。因此，我们可以看到对于Cu靶材在300A就可以达到均匀的放电，局部增强离化消失，但对于Nb,Ti却一直不能达到均匀的放电，局部离化一直持续。

延伸

1) 离化差异除与材料本身的性质外是否对磁场的磁化也有关；

2) 进一步还需要延伸不同材料的离化溅射能的阈值能量是多少，这样可能有助于更好地理解材料与等离子体作用的关系。