同步偏壓配合HiPIMS能有什么神奇的化學(xué)反應(yīng)呢？

引言：

HiPIMS技術(shù)廣泛用于硬質(zhì)涂層與金屬薄膜沉積，在TiAlN、CrAlTiN等耐磨耐高溫陶瓷涂層制備中表現(xiàn)成熟。該工藝通常需施加?100 V以上的基底偏壓，以增強(qiáng)吸附原子遷移率并借助高能離子引發(fā)次注入效應(yīng)，從而形成致密且力學(xué)性能的薄膜。然而，高偏壓會(huì)同步加速工藝氣體離子進(jìn)入薄膜間隙位置，引入較高的壓縮應(yīng)力，成為該技術(shù)的主要局限。而同步偏壓的出現(xiàn)，讓我們看到了突破希望。

解析：

瑞士聯(lián)邦表面科學(xué)與涂層技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的Jyotish Patidar等人，采用反應(yīng)性同步HiPIMS技術(shù)制備出高結(jié)晶質(zhì)量、c軸擇優(yōu)取向的AlN（0002）織構(gòu)薄膜。研究表明，相較于DCMS與常規(guī)HiPIMS，HiPIMS配合?30 V低同步偏壓即可顯著提升薄膜晶體結(jié)構(gòu)與織構(gòu)度，并通過(guò)金屬離子同步策略有效抑制工藝氣體夾雜與點(diǎn)缺陷形成。所得薄膜不僅具有優(yōu)異的面外織構(gòu)，晶粒還呈現(xiàn)均勻極化，展現(xiàn)出HiPIMS與同步偏壓配合在沉積高性能功能薄膜方面的優(yōu)勢(shì)。該研究成果發(fā)表于《Surface & Coatings Technology》。

圖1 (a)DCMS和(b)HiPIMS等離子體的離子能量分布圖

圖1對(duì)比了DCMS與HiPIMS等離子體中的入射離子能量分布。HiPIMS的離子計(jì)數(shù)率較DCMS高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，其中鋁離子動(dòng)能中值由6.6 eV增至10.7 eV，氮離子亦呈相同趨勢(shì)。HiPIMS放電中，Al+、N+和Ar+在不同能量區(qū)間呈現(xiàn)多峰分布，其主峰及高能尾部主要源于靶面氮化層在脈沖濺射中的離化產(chǎn)物。金屬離子在HiPIMS總離子通量中的占比受脈沖參數(shù)、靶材狀態(tài)與電流密度調(diào)控。該結(jié)果與Jouan等報(bào)道一致，HiPIMS獨(dú)有的高能尾在Al+與N+中尤為顯著，且因其整體電離率更高，基底接收的離子通量主要由這些高能離子主導(dǎo)。相對(duì)DCMS技術(shù)，HiPIMS的這種特性為同步偏壓的配合調(diào)控有著天然的優(yōu)勢(shì)。

圖2 基底脈沖與HiPIMS脈沖的同步

圖2展示了鋁靶上HiPIMS脈沖的離子電流-電壓曲線，以及36Ar+和27Al+離子在質(zhì)譜儀中被檢測(cè)到的積分通量。顯然，Ar+離子比Al+離子更早抵達(dá)基底?；诖?，我們可以通過(guò)調(diào)整基底脈沖來(lái)優(yōu)先加速金屬離子向基底運(yùn)動(dòng)。需要特別說(shuō)明的是，在富金屬離子脈沖之間，基底偏壓會(huì)主動(dòng)調(diào)節(jié)至0V，從而降低原本顯著的自偏壓電位。此時(shí)入射的氣體離子能量低于晶格位移閾值，因此薄膜結(jié)構(gòu)主要受金屬富集區(qū)域的離子輻照和動(dòng)量轉(zhuǎn)移影響。通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控基底偏壓脈沖，可選擇性吸引金屬離子進(jìn)行高能轟擊，從而在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中有效避免氣體離子摻入。

圖3 四種代表性薄膜的明場(chǎng)與透射電鏡成像

如圖3所示，亮場(chǎng)TEM圖像與通過(guò)SPED獲得的相應(yīng)取向圖并列展示。所有AlN薄膜均呈現(xiàn)柱狀結(jié)構(gòu)。與DCMS薄膜相比，HiPIMS薄膜的晶粒尺寸和織構(gòu)有所增加。晶粒尺寸的減小與DCMS過(guò)程中吸附原子遷移率降低的現(xiàn)象一致。HiPIMS薄膜，尤其是采用連續(xù)和脈沖偏壓沉積的薄膜，顯示出致密的柱狀生長(zhǎng)。當(dāng)施加基底偏壓時(shí)，晶粒尺寸進(jìn)一步增大，晶粒延伸至薄膜全厚度。DCMS薄膜通常呈現(xiàn)隨機(jī)取向的小晶粒，而同步偏壓的HiPIMS薄膜則顯示出高度取向的（0002）晶粒。這些結(jié)果表明采用HiPIMS與同步偏壓配合在沉積高性能功能薄膜方面的有巨大優(yōu)勢(shì)。

延伸：

1）這項(xiàng)技術(shù)是“點(diǎn)殺”式能量注入，未來(lái)能否結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)離子轟擊的全自動(dòng)“自適應(yīng)巡航”？

2）同步HiPIMS這把“手術(shù)刀”，能否用于雕刻其他對(duì)缺陷敏感的功能薄膜（如氧化物半導(dǎo)體、超導(dǎo)薄膜）？