石墨靶脉冲参数对 TiB? 和 C 靶双 HiPIMS 放电中基片附近等离子体电离过程的影响

《Vacuum》：Effect of graphite target pulse parameters on ionization processes in the near-substrate plasma of a dual HiPIMS discharge with TiB 2 and C targets

　　

摘要

通过光学发射光谱对共溅射 TiB₂ 和 C 靶的不对称双极性双 HiPIMS 放电等离子体进行了研究。研究了在固定频率 850 Hz 下，石墨靶脉冲持续时间（10–100 μs）和平均功率（50–500 W）对钛光谱电离指数 ξ_Ti（由离子谱线与原子谱线强度比计算得出）、中性碳 C I 发射强度以及碳膜沉积速率的影响。研究发现 ξ_Ti 与脉冲持续时间呈非单调依赖关系：在 40 μs 处出现下降（ξ_Ti = 2.18），在 60 μs 处达到局部最大值（ξ_Ti = 2.75）。结果表明，脉冲间关闭期（~1 ms）内中性碳的缓慢扩散导致放电体积内碳物种积累，在石墨靶脉冲持续时间为 100 μs 时使钛电离程度降低 24%。在异质靶双系统中，金属组分的电离效率不仅取决于功率，还取决于中性物种在基片附近区域的输运和积累条件。

引言

二硼化钛（TiB₂）长期以来一直被认为是防护涂层最有前景的材料之一，因其具有极高的硬度（高达 40 GPa）、优异的化学耐受性和热稳定性 [1,2]。这些特性源于其六方晶格中的强共价键，使 TiB₂ 成为切削工具、机械零件以及在恶劣磨损和高温条件下运行的装置的理想候选材料 [3]。然而，TiB₂ 基涂层的广泛工业应用受到两个主要因素的制约：(i) 过硬导致的高脆性，这会在冲击载荷下不利影响耐磨性；(ii) 高内应力会降低涂层对基片的附着力并导致早期失效 [4,5]。

克服这些问题的一个有效策略是通过掺碳开发基于 TiB₂ 的纳米复合体系。在这种情况下，形成由嵌入无定形碳基体（a-C）中的纳米晶硬质相（TiB₂ 和/或 TiC）组成的结构 [6,7]。这种纳米复合架构能够独特地结合多种性能：纳米晶提供高硬度，而无定形碳相则充当固体润滑剂，显著降低摩擦系数，这对于耐磨应用至关重要 [8]。此外，研究表明将碳引入 TiB₂ 中可以降低残余应力并改善附着力，使这些涂层适用于极端环境，包括高温氧化 [9,10]。

在各种沉积技术中，高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）是沉积 TiBC 涂层最有效的方法之一 [[11], [12], [13]]。HiPIMS 的独特特征在于产生具有极高峰值电子密度的等离子体，这确保了被溅射材料流具有较高的电离程度 [14,15]。然而，在从单元素靶向多组分共溅射转变（特别是难熔陶瓷硼化物与石墨的共溅射以合成超硬纳米复合薄膜 [16,17]）时，等离子体过程的物理学变得复杂得多。这是由于电离电位根本不同的气相组分之间的相互影响 [13] 以及非弹性碰撞的有效截面 [18]。

使用单个磁控溅射源并以腔壁作为阳极时面临的主要技术困难在于，石墨和二硼化钛靶的溅射会导致真空腔元件上沉积导电性差的薄膜。这导致阳极被绝缘薄膜覆盖，产生阳极消失效应 [19]。该效应使磁控溅射放电不稳定，诱发拉弧，并降低被溅射物种的电离程度。

解决此问题的一个方案是使用以不对称双极性脉冲模式运行的双磁控溅射系统 [20]。在此类系统中，两个靶交替充当阴极和阳极，从而稳定了等离子体电位的空间分布 [21]。然而，在 TiBC 涂层沉积过程中，溅射组分（Ti、B 和 C）向间隙电极间区运输的非稳态特性形成了一个复杂的反馈系统，决定了带电粒子的能量分布以及物质向基片的传递。

特别是基片附近区域，凝相在此直接形成，引起了广泛关注。与靶上方区域（磁阱区）不同，该区域具有相对低的带电粒子密度、中性流占主导地位，且等离子体参数显著依赖于两个靶的溅射模式。尽管关于复合薄膜沉积条件优化的实证研究众多，但该区域内动力学过程的详细物理学仍理解不足，且等离子体诊断通常仅具有定性和现象学性质。

本工作的目的是定量评估在共溅射 TiB₂ 和 C 靶的双 HiPIMS 放电中，石墨靶的脉冲持续时间和平均功率与基片附近区域钛光谱电离指数 ξ_Ti（由离子-原子线强度比计算得出）、C I 发射强度和碳膜沉积速率行为之间的相关性。

章节摘要

实验细节

采用图 1 中示意性所示的实验装置对 TiB₂–C 系统中双磁控溅射放电的等离子体组成进行了研究。图中还显示了石墨（C）和二硼化钛（TiB₂）靶上放电电压和电流的定性时间依赖性。

真空腔由分子涡轮泵抽至约 8·10^?3 Pa 的本底压力。双磁控溅射系统配备了两个圆形靶，直径为

OES 强度与碳沉积速率的依赖关系

表 1 列出了实验放电参数、所研究模式下 OES 的峰值幅度、计算得出的钛电离指数以及碳膜沉积速率。由于在石墨靶低功率 P_C = 100–300 W 时碳发射信号低于光学系统的灵敏度阈值，汇总表仅包含可靠记录的 C I 线强度。

为了比较轻碳物种的输运动力学及其光学活性

结论

基于在 0.25 Pa 工作压力下对 TiB₂–C 系统中不对称双极性双 HiPIMS 放电基片附近等离子体的研究结果，可以得出以下结论：

• 1.
  已建立起在中性碳 C I 发射线强度与碳沉积速率之间在脉冲持续时间变化时的相关性。在保持平均功率恒定为 500 W 的情况下，将石墨靶脉冲持续时间缩短至 τ_C = 10 μs 会导致

作者贡献声明（CRediT）

A.N. Zakharov：原稿撰写、验证、调查。 E.O. Kraynova：调查。 N.E. Madzhara：可视化。 A.G. Burachenko：调查。 A.S. Grenadyorov：监督指导。 A.A. Solovyev：审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究由俄罗斯科学基金会资助（资助编号 25-19-20005；https://rscf.ru/project/25-19-20005/），并由托木斯克州科技发展与创新活动部拨出的补贴拨款资助（协议编号 02/4/2026）。

A.N. Zakharov | E.O. Kraynova | N.E. Madzhara | A.G. Burachenko | A.S. Grenadyorov | A.A. Solovyev

托木斯克 SB RAS 高电流电子学研究所，俄罗斯托木斯克市，Akademichesky 大道 2/3 号，邮编 634055