双极HiPIMS中Au I强度随电压13倍提升——短脉冲沉积金

点睛：

Au靶双极HiPIMS中，主电压700→1000V，Au I峰值强度提升13倍，峰值电流密度从121增至317mA/cm²。短脉冲20μs峰值电流高，避免气体稀薄化；反向脉冲主要影响Ar I，对Au I无影响。未检测到Au II，表明Au电离极难。

引言：

金在神经电极、聚合物金属化等领域需求大，但常规DC-PVD沉积的金与聚合物附着力差，通常需额外粘附层。HiPIMS可高离化金属，低平均功率避免靶过热，但金电离能高、电离困难。双极HiPIMS反向脉冲能否改善？本文通过OES和电流波形，研究主脉冲电压、脉宽及反向脉冲对Ar-Au等离子体的影响，优化金沉积工艺。

解析：

德国不来梅大学微传感器、执行器与系统研究所的Jürgen Guljakow等人采用双极HiPIMS系统，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”为题发表在《Plasma》上，实验参数如下：

1）靶材：3英寸Au靶；2）工作气体：Ar，流量70sccm，气压0.67Pa；3）电源参数：主脉冲电压700-1000V，脉宽20/50/100μs，频率1kHz（20μs）或300Hz（50/100μs）；反向脉冲电压195V，脉宽50μs，延迟5μs；4）基体：无沉积，仅等离子体诊断。

图1 不同主脉冲电压下的靶电流密度波形

图1显示了主脉宽固定20 μs，电压700→1000 V时，峰值电流密度从121mA/cm²线性增至317mA/cm²即每增加100 V约增60 mA/cm²。电流上升缓慢，表明Au靶放电中n值较低（I = kVn），归因于强气体稀薄化降低了电子约束效率。在加上反向脉冲后电流被迅速淬灭至0以下，表明离子被加速离开靶面。

图2 不同电压下的OES光谱（时间积分）

图2中光谱图上用箭头标出了文中提及的峰位：上方为在1 kV、20 µs 条件下测得的光谱，下方显示了700 V与1 kV之间的相对变化。黑色直线箭头标示了用于详细分析的峰位；未标记的直线箭头指向Ar II峰；虚线箭头标示了Au I峰。

图3 不同电压下的OES光谱（时间积分）

图3展示了在650纳米以下的较短波长范围内，Au I峰清晰可见，其亮度明显高于Ar I峰。虽然Ar I峰在650纳米以上的波长处也能清晰观测到，但Ar II峰在较短波长处的强度显著减弱，且其强度随电压升高而增强。未检测到Au II峰。

图4 相对强度变化（以700V为基准）

图4显示了Au I峰（如523 nm、627 nm）相对强度从700 V到1000 V提升13倍，其他线约8倍。Ar I峰强度基本不变。电压升高增强靶功率，溅射产额和Au原子密度增加，电子温度升高激发更多Au原子。

图5 不同脉宽下的电流密度波形

图5展示了20 μs和50 μs脉冲峰值电流密度均约300 mA/cm²；100 μs脉冲略低约281 mA/cm²。100 μs脉冲在约60 μs后出现第二峰约121 mA/cm²，源于气体稀薄化后Ar回流引起的二次放电。短脉冲（<50 μs）可避免稀薄化后的电流衰减，对沉积更有效。20 μs脉冲虽短，但峰值电流高，能量效率更优。

结论与延伸：

1. 电压从700 V升至1000 V，峰值电流密度从121增至317 mA/cm²，Au I强度多提升13倍（如523 nm、627 nm），Ar I基本不变，Ar II强度线性增长。提高电压是增加Au原子激发密度的有效手段。

2. 20 μs脉冲峰值电流高317 mA/cm²，100 μs脉冲因稀薄化出现第二峰但强度仅为一峰1/3。短脉冲（<50 μs）峰值电流密度更高，可避免稀薄化导致的电流衰减，沉积效率更高。

3. 所有参数下均未检测到Au II峰，说明Au电离效率极低；反向脉冲主要降低Ar I强度，对Au I无影响，表明脉冲结束后靶前Au原子已耗尽。

论文DOI：10.3390/plasma6040047