采用偏置石英晶体微天平定量HiPIMS放电中的氩离子与金属离子通量研究

《Surface and Coatings Technology》：Quantifying argon and metal ion fluxes in HiPIMS using a biasable QCM

本文创新性地采用偏置石英晶体微天平（QCM）技术，首次实现了高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）过程中钛中性粒子、钛离子和氩离子通量的同步测量。通过对比两种靶材几何形状和电源发生器，研究发现靶型、工作压力（0.6-3.0 Pa）和发生器设计显著影响粒子通量组成，其中氩离子通量始终比钛离子高一个数量级，为优化HiPIMS工艺参数提供了重要依据。

　　

亮点

磁控溅射系统

所有实验均在工业级Alcatel SCM 650磁控溅射系统中进行（实验装置示意图见图1）。直径650毫米、高350毫米的圆柱形真空室通过Adixen ACP 15 G罗茨泵和Pfeiffer TC 400涡轮分子泵串联抽真空，本底压力低于10^?3 Pa。压力测量采用Pfeiffer公司的PKR 251全量程真空计和MKS电容式压力计。

结果与讨论

在保持功率密度恒定的条件下，使用两种发生器对圆形和矩形靶材进行实验：圆形靶功率350 W（峰值电流35/70 A），矩形靶功率960 W（峰值电流95/190 A）。每个实验在三种压力条件（0.6/1.0/3.0 Pa）下开展，发现矩形靶产生的粒子通量更高且波动更大，而压力升高会系统性降低所有通量。不同发生器主要影响钛中性粒子与离子的比例，但氩离子通量保持稳定。

结论

本研究通过偏置QCM首次实现了基片位置钛中性粒子、钛离子和氩离子通量的同步捕获。结果表明：所有粒子通量均对脉冲宽度、靶材几何形状、发生器类型、压力和放电电流密度等参数敏感。矩形靶由于更大的溅射区域产生更高通量，而氩离子通量始终比钛离子高一个数量级，这种主导效应在不同实验条件下均保持一致。