同步浮置電位HiPIMS工藝&實(shí)現(xiàn)薄膜在絕緣基底上的低溫沉積

點(diǎn)睛

100°C下，SFP-HiPIMS通過16μs延遲同步，利用Al脈沖誘導(dǎo)的-35V浮動(dòng)電位，選擇性加速Sc+，規(guī)避>60eV的Ar+轟擊。AlScN應(yīng)力從550MPa調(diào)至近0，并實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石上的單晶外延。

引言

離子化物理“氣相沉積”技術(shù)能顯著提升薄膜質(zhì)量，但傳統(tǒng)方法（如施加負(fù)偏壓）在絕緣基底上難以實(shí)現(xiàn)，而射頻偏壓會(huì)不可避免地引入高能工藝氣體離子（如Ar?）的轟擊，導(dǎo)致薄膜缺陷與有害應(yīng)力。那如何在無法施加外部電場的絕緣或懸浮基底上，利用離子輔助獲得高質(zhì)量、低缺陷的薄膜呢？

解析：

瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的Jyotish Patidar等人采用脈沖同步的浮動(dòng)電位調(diào)控，實(shí)現(xiàn)絕緣基底上AlScN薄膜的低溫外延生長與性能優(yōu)化。以“Low temperature deposition of functional thin films on insulating substrates enabled by selective ion acceleration using synchronized floating potential HiPIMS”為題發(fā)表在《Nature Communications》上，其工藝參數(shù)如下：

1）基體：Si、藍(lán)寶石和硼硅玻璃；2）沉積工藝：靶材：Al靶和Sc靶，2英寸。工作氣體：Ar和N?，流量比20/12sccm，工作氣壓：0.5pa；沉積溫度：100°C。脈沖時(shí)序控制：使用Ionautics同步單元，準(zhǔn)確調(diào)控Sc靶與Al靶的HiPIMS脈沖之間的延遲時(shí)間（0,11,16,21μs），這是SFP-HiPIMS技術(shù)的核心。基底狀態(tài)：基底電學(xué)懸浮，不施加任何外部偏壓，完全依賴自身產(chǎn)生的浮動(dòng)電位。

圖1 用于加速離子的浮動(dòng)基底電位

圖1A展示了單磁控管濺射室內(nèi)的電勢分布：陰極（靶材）、電浮置襯底和接地陽極（腔體）。由于電子遷移率更高，絕緣襯底會(huì)形成負(fù)浮置電位(UF)，與等離子體電位(UP)的差值(UP-UF)加速正離子穿過鞘層射向襯底。圖1B則闡釋了SFP-HiPIMS核心原理：通過準(zhǔn)確控制雙磁控管的脈沖時(shí)序，讓一個(gè)靶材（如Al）脈沖產(chǎn)生的瞬態(tài)負(fù)浮置電位，加速另一個(gè)靶材（如Sc）脈沖產(chǎn)生并適時(shí)抵達(dá)的金屬離子，從而實(shí)現(xiàn)選擇性離子轟擊。

圖2：脈沖時(shí)序、離子飛行時(shí)間與基底浮動(dòng)電位的同步測量

圖2對比了四種脈沖同步模式（I-IV），并同時(shí)展示了Sc和Al靶的放電電流、Ar+/Sc+離子的飛行時(shí)間曲線以及基底浮動(dòng)電位的變化。在模式III（延遲16μs）下，數(shù)據(jù)清晰顯示：Sc+離子的通量峰值與Al脈沖誘導(dǎo)的基底負(fù)電位峰值（約-35V）在時(shí)間軸上高度重合。相反，Ar+離子的通量峰值出現(xiàn)得更早，基本錯(cuò)過了電位的MAX加速期。這一數(shù)據(jù)以微秒級精度證明，通過16μs的延遲設(shè)計(jì)，可以精準(zhǔn)地“捕獲”并加速成膜的Sc+離子，同時(shí)MAX 限度地“避開”有害的Ar+離子，從根源上實(shí)現(xiàn)了離子種類的選擇性。

圖3：透射電子顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu)演變

圖3中常規(guī)模式I的薄膜（圖3A）呈現(xiàn)出明顯的垂直柱狀間隙和開放晶界，結(jié)構(gòu)疏松。而SFP-HiPIMS模式III的薄膜（圖3B）則表現(xiàn)出高度致密、無孔隙的柱狀晶結(jié)構(gòu)。再看選區(qū)電子衍射圖模式I樣品為典型的多晶衍射環(huán)（圖3C），表明晶粒取向隨機(jī)；模式III樣品則呈現(xiàn)出清晰的單晶衍射斑點(diǎn)圖案（圖3）。從圖3E的高分辨TEM圖像及其傅里葉變換中觀察到AlScN薄膜與藍(lán)寶石基底之間形成了清晰的原子級外延界面，具有明確的晶體學(xué)位向關(guān)系A(chǔ)lScN[001]//Al2O3[001]。這些結(jié)果證明了在僅100°C的低溫下，SFP-HiPIMS成功實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的異質(zhì)外延生長。

結(jié)論與延伸

1. 利用絕緣基底在HiPIMS中自生的瞬態(tài)負(fù)電位，通過脈沖時(shí)序同步，實(shí)現(xiàn)對Sc+等成膜離子的選擇性加速（~35eV），同時(shí)規(guī)避Ar+的有害轟擊。

2. 該原理普適于各類HiPIMS材料體系，為在絕緣基底上制備壓電、鐵電、光學(xué)等高性能薄膜開辟了新途徑。