雙極HiPIMS中Au I強度隨電壓13倍提升——短脈沖沉積金

點睛：

Au靶雙極HiPIMS中，主電壓700→1000V，Au I峰值強度提升13倍，峰值電流密度從121增至317mA/cm2。短脈沖20μs峰值電流高，避免氣體稀薄化；反向脈沖主要影響Ar I，對Au I無影響。未檢測到Au II，表明Au電離極難。

引言：

金在神經(jīng)電極、聚合物金屬化等領(lǐng)域需求大，但常規(guī)DC-PVD沉積的金與聚合物附著力差，通常需額外粘附層。HiPIMS可高離化金屬，低平均功率避免靶過熱，但金電離能高、電離困難。雙極HiPIMS反向脈沖能否改善？本文通過OES和電流波形，研究主脈沖電壓、脈寬及反向脈沖對Ar-Au等離子體的影響，優(yōu)化金沉積工藝。

解析：

德國不來梅大學微傳感器、執(zhí)行器與系統(tǒng)研究所的Jürgen Guljakow等人采用雙極HiPIMS系統(tǒng)，以“Influence of Voltage, Pulselength and Presence of a Reverse Polarized Pulse on an Argon-Gold Plasma during a High-Power Impulse Magnetron Sputtering Process”為題發(fā)表在《Plasma》上，實驗參數(shù)如下：

1）靶材：3英寸Au靶；2）工作氣體：Ar，流量70sccm，氣壓0.67Pa；3）電源參數(shù)：主脈沖電壓700-1000V，脈寬20/50/100μs，頻率1kHz（20μs）或300Hz（50/100μs）；反向脈沖電壓195V，脈寬50μs，延遲5μs；4）基體：無沉積，僅等離子體診斷。

圖1 不同主脈沖電壓下的靶電流密度波形

圖1顯示了主脈寬固定20 μs，電壓700→1000 V時，峰值電流密度從121mA/cm2線性增至317mA/cm2即每增加100 V約增60 mA/cm2。電流上升緩慢，表明Au靶放電中n值較低（I = kVn），歸因于強氣體稀薄化降低了電子約束效率。在加上反向脈沖后電流被迅速淬滅至0以下，表明離子被加速離開靶面。

圖2 不同電壓下的OES光譜（時間積分）

圖2中光譜圖上用箭頭標出了文中提及的峰位：上方為在1 kV、20 μs 條件下測得的光譜，下方顯示了700 V與1 kV之間的相對變化。黑色直線箭頭標示了用于詳細分析的峰位；未標記的直線箭頭指向Ar II峰；虛線箭頭標示了Au I峰。

圖3 不同電壓下的OES光譜（時間積分）

圖3展示了在650納米以下的較短波長范圍內(nèi)，Au I峰清晰可見，其亮度明顯高于Ar I峰。雖然Ar I峰在650納米以上的波長處也能清晰觀測到，但Ar II峰在較短波長處的強度顯著減弱，且其強度隨電壓升高而增強。未檢測到Au II峰。

圖4 相對強度變化（以700V為基準）

圖4顯示了Au I峰（如523 nm、627 nm）相對強度從700 V到1000 V提升13倍，其他線約8倍。Ar I峰強度基本不變。電壓升高增強靶功率，濺射產(chǎn)額和Au原子密度增加，電子溫度升高激發(fā)更多Au原子。

圖5 不同脈寬下的電流密度波形

圖5展示了20 μs和50 μs脈沖峰值電流密度均約300 mA/cm2；100 μs脈沖略低約281 mA/cm2。100 μs脈沖在約60 μs后出現(xiàn)第二峰約121 mA/cm2，源于氣體稀薄化后Ar回流引起的二次放電。短脈沖（<50 μs）可避免稀薄化后的電流衰減，對沉積更有效。20 μs脈沖雖短，但峰值電流高，能量效率更優(yōu)。

結(jié)論與延伸：

1. 電壓從700 V升至1000 V，峰值電流密度從121增至317 mA/cm2，Au I強度多提升13倍（如523 nm、627 nm），Ar I基本不變，Ar II強度線性增長。提高電壓是增加Au原子激發(fā)密度的有效手段。

2. 20 μs脈沖峰值電流高317 mA/cm2，100 μs脈沖因稀薄化出現(xiàn)第二峰但強度僅為一峰1/3。短脈沖（<50 μs）峰值電流密度更高，可避免稀薄化導致的電流衰減，沉積效率更高。

3. 所有參數(shù)下均未檢測到Au II峰，說明Au電離效率極低；反向脈沖主要降低Ar I強度，對Au I無影響，表明脈沖結(jié)束后靶前Au原子已耗盡。

論文DOI：10.3390/plasma6040047