HiPIMS放電制備純金屬薄膜的優(yōu)勢

HiPIMS放電使用的脈沖持續(xù)時間范圍從幾微秒到幾百微秒，而脈沖重復(fù)頻率范圍從~10 Hz到~10 kHz。在這些條件下，HiPIMS放電的峰值電流密度可以達(dá)到A/m²量級，而DCMS只有A/cm²量級，但前者放電只占工作時間的~1%。因此，等離子體準(zhǔn)時產(chǎn)生致密等離子體，不僅可以實現(xiàn)快速的靶濺射，還可以實現(xiàn)金屬蒸氣的高電離率?；陔娞结樤\斷，HiPIMS中的電子能量分布函數(shù)是一個空間和時間相關(guān)的特征，在等離子體的開啟和關(guān)閉時間中不斷變化。等離子體密度在放電的強(qiáng)磁化區(qū)域內(nèi)達(dá)到峰值，在這里發(fā)生電子約束，并且磁力線與靶表面平行。然后，等離子體向襯底膨脹，電子穿過磁阱擴(kuò)散，填充電極間空間。在襯底位置的早期測量顯示，電子密度峰值高達(dá)10¹¹~10¹³ cm^?3，這比在DCMS中觀察到的要高幾個數(shù)量級（見圖1）。增加的電子密度（以及溫度）意味著電離速率的提高，通過直接的電子沖擊電離，極大地影響濺射金屬原子的電離速率。因此通過HiPIMS技術(shù)可以制備高性能、特定結(jié)構(gòu)的純金屬薄膜。

圖1. Langmuir探針測量HiPIMS放電中不同延遲時間（△t = 40、160、280和640 μs）下電子密度的空間分布。壓強(qiáng)是15pa，t_ON = 100 μs。使用直徑150 mm的圓形鈦靶（位于底部），Z表示到靶的距離

1. 利用HiPIMS技術(shù)調(diào)控Ti薄膜沉積過程的晶相

Ti在常溫常壓下呈現(xiàn)hcp相（α相），保持壓力不變，在1163 K左右α相轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅艿?/span>bcc相（β相），其相比于α相具有更強(qiáng)的延展性，力學(xué)性能與骨骼更匹配，因此被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)植入體中。Ti的六方ω相則需要在高壓條件下（2~7 GPa）形成。在大多數(shù)情況下，生長的Ti是α-相，但在HiPIMS條件下，Ti離子場的引入允許在低能量下形成fcc相 Ti，并誘導(dǎo)在非外延狀態(tài)和高能量下形成ω相。其中離子密度和偏置電壓對fcc相和ω相的形成起著至關(guān)重要的作用。此外Ti雖然被歸類為低遷移率金屬，但在HiPIMS沉積過程中，隨著厚度的增加，應(yīng)力發(fā)展經(jīng)歷了壓縮-拉伸-壓縮（CTC）三個階段，生產(chǎn)不同厚度的鈦膜，可以調(diào)整相組成。

圖2.（a） DCMS體系，（b）無施加偏置的HiPIMS體系，（c）施加偏置為300 V的HiPIMS體系，（d）施加偏置為500 V的HiPIMS體系沉積Ti膜的XRD譜圖，（e）退火前后Ti薄膜的XRD譜圖，（f）不同偏壓下α-相薄膜的織構(gòu)系數(shù)。

2. HiPIMS控制生長金屬薄膜的動力學(xué)效應(yīng)

大功率脈沖磁控濺射（HiPIMS）及其變體調(diào)制脈沖功率磁控濺射（MPPMS）的出現(xiàn)，為控制濺射物質(zhì)的通量提供了一個新的可能，即控制生長薄膜的動力學(xué)效應(yīng)。為減少放電過程中電弧的產(chǎn)生，提出了一種新的MPPMS脈沖設(shè)計，即深振蕩磁控濺射（DOMS）。通過直流磁控濺射（DCMS）放電的比較，發(fā)現(xiàn)DCMS沉積的Cr膜具有柱狀形態(tài)，優(yōu)先[110]取向，薄膜中仍然存在一些孔隙，力學(xué)性能始終低于塊體材料。隨著峰值功率的增加，DOMS工藝沉積的Cr膜沉積速率從DCMS沉積速率的60%下降到30%，薄膜具有[110]擇優(yōu)取向。隨著峰值功率的的繼續(xù)增加，薄膜形貌由柱狀變?yōu)橹旅軤?，硬度提高?/span>17 GPa，晶格參數(shù)增大，晶粒尺寸減小，薄膜的楊氏模量接近塊體材料，無孔隙。

圖3.遲發(fā)性脈沖的典型I-V波形和DOMS沉積的Cr膜的衍射圖與靶峰值功率的函數(shù)關(guān)系

3. 利用HiPIMS技術(shù)外延生長擇優(yōu)取向金屬薄膜

在等離子體沉積技術(shù)中，氬或氫輝光放電中的離子轟擊通常用作步預(yù)處理工藝，為金屬和半導(dǎo)體基板提供無污染物和天然氧化物的晶體表面。高電離金屬通量被交替地用作預(yù)處理，使用HiPIMS和陰極電弧工藝，并結(jié)合施加在襯底上的高負(fù)直流偏置電壓，能夠產(chǎn)生具有明確化學(xué)性質(zhì)的界面，從而提高了薄膜/襯底的附著力（與使用傳統(tǒng)Ar輝光放電獲得的結(jié)果相比），并促進(jìn)后續(xù)沉積的薄膜局部外延生長。盡管使用上述概述的策略尚未實現(xiàn)整個薄膜的外延生長，但結(jié)果表明HiPIMS放電產(chǎn)生的離子轟擊可以完全或部分去除存在于襯底表面的天然氧化物，并導(dǎo)致薄膜/襯底界面處的優(yōu)先生長方向?；?/span>HiPIMS的沉積工藝，通過襯底的直流偏置控制，在覆蓋有天然氧化物的Si(001)取向晶片上可以生長厚達(dá)150 nm的外延Cu薄膜，而無需任何預(yù)處理工藝。當(dāng)襯底的直流偏置電壓為?130 V時，HiPIMS按照Cu(001) [100]//Si(001)[110]取向?qū)崿F(xiàn)了Cu/Si的異質(zhì)外延生長，而在相同的平均沉積條件下，使用傳統(tǒng)的直流磁控濺射，沉積了具有[111]擇優(yōu)取向的多晶Cu薄膜。

圖4. 偏置電壓對HiPIMS和DCMS制備的薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響；?130 V偏壓下Cu薄膜的{111}和{200}晶面族XRD極圖

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