HiPIMS：簡(jiǎn)單的方法就能調(diào)控磁控濺射中的金屬/氣體離子比？

1）磁控濺射：HiPIMS中簡(jiǎn)單的脈寬變化，就能調(diào)控膜層中的金屬/氣體離子比。

2）常規(guī)的磁控靶換成HiPIMS電源就可以達(dá)到上述效果。

　　高功率脈沖磁控濺射技術(shù)（HiPIMS）一直是磁控濺射領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，自1999年HiPIMS被提出，其實(shí)也僅僅過(guò)去20幾年，在工業(yè)領(lǐng)域還屬于新生代，也一直在進(jìn)行工業(yè)化推廣。HiPIMS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)也已經(jīng)被普遍認(rèn)可，相比傳統(tǒng)DCMS，HiPIMS具有高等離子體密度、高金屬離化率，這些優(yōu)勢(shì)在優(yōu)化膜層質(zhì)量都具有重要意義。

　　常規(guī)的DCMS主要是離化了氣體粒子，通過(guò)施加偏壓，使氣體離子轟擊膜層，我們希望獲得高的離子轟擊強(qiáng)度，但是高的氣體離子轟擊，氣體粒子不是成膜粒子，很容易在對(duì)膜層轟擊過(guò)程中，引入殘余應(yīng)力。而HiPIMS引入了更多的金屬離子，從而在增加膜層低溫生長(zhǎng)期間膜層的致密性的同時(shí)，具有低的膜層應(yīng)力。這里就出現(xiàn)了一個(gè)金屬/氣體離子比的概念，這個(gè)參數(shù)不像大多數(shù)等離子體狀態(tài)那樣容易監(jiān)視，比如通常來(lái)說(shuō)，高的功率、高的峰值靶電流密度，就會(huì)帶來(lái)更高的等離子體密度、更高的金屬離化率，那么我們?cè)谵Z擊基體的離子中，想獲得高的金屬/氣離子比，怎么獲得?

　　瑞典林雪平大學(xué)（也就是提出HiPIMS技術(shù)的大學(xué)）的G. Greczynski等人，在研究HiPIMS技術(shù)中就指出了，直接利用HiPIMS脈寬的調(diào)節(jié)，來(lái)很大范圍內(nèi)調(diào)控金屬/氣體離子比的方法。該研究以題為Control of the metal/gas ion ratio incident at the substrate plane during high-power impulse magnetron sputtering of transition metals in Ar 發(fā)表在《Thin Solid Films》雜志上。

　　G. Greczynski等人控制峰值靶功率一定，改變HiPIMS脈沖持續(xù)時(shí)間，分別研究了Ti、Zr、Hf靶在Ar氣放電條件下，不同脈寬下到達(dá)基體的金屬/氣體離子通量。我們通過(guò)下圖可以看到，Ti靶放電條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)脈寬從30μs到120μs，Ti金屬/Ar氣體離子到達(dá)基體的通量比可以從約60調(diào)節(jié)到約為1。其實(shí)原因也很好理解，HiPIMS放電中，其靶電壓和靶電流的波形耦合導(dǎo)致了在一個(gè)脈沖波形中，靶功率具有一個(gè)峰值，在靶功率峰值處，氣體稀薄效應(yīng)最強(qiáng)烈，可以理解為在這個(gè)峰值下，靶最熱，使靶前的氣體被排開(kāi)，導(dǎo)致此時(shí)的氣體粒子最少，從而使金屬粒子有機(jī)可乘，此時(shí)金屬/氣體離子比最高。脈寬繼續(xù)增加，靶功率峰值下降，氣體粒子再次回歸，金屬/氣體離子比下降。

　　圖1. (a)Ti靶電壓和(b)Ti靶電流密度在不同HiPIMS脈沖持續(xù)時(shí)間(20-120μs)條件下的波形圖。

圖2. Ti、Zr、Hf靶在Ar氣放電條件下，不同脈寬下到達(dá)基體的金屬/氣體離子通量。

這種通過(guò)優(yōu)化HiPIMS脈沖長(zhǎng)度，直接調(diào)控金屬/氣體離子比，在工業(yè)應(yīng)用中就很受用。對(duì)于常規(guī)的磁控靶換成HiPIMS電源就可以直接用于調(diào)控金屬/氣體離子比。文獻(xiàn)中給出的氣體離子是Ar+，對(duì)于其他氣體（如：氮?dú)?、乙炔等）也適用。其實(shí)HiPIMS從實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)推廣的阻力，其實(shí)就是HiPMS技術(shù)的不穩(wěn)定性和復(fù)雜性。如果能夠探究清楚，這些參數(shù)對(duì)于等離子體狀態(tài)的影響，從而進(jìn)一步指導(dǎo)膜層優(yōu)化，那對(duì)于我們產(chǎn)業(yè)界的技術(shù)迭代，具有重要的意義。

另一方面，我認(rèn)為，HiPIMS相對(duì)于DCMS還有一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)，本身就在于其復(fù)雜性的提高，在于HiPIMS的放電模式是由脈沖波形組成的，而DCMS是一個(gè)穩(wěn)定的直流。脈沖的存在直接在技術(shù)中多出了很多的參數(shù)窗口，脈寬、頻率、占空比、電壓峰值、電流峰值等等，參數(shù)窗口的增加，也進(jìn)一步帶來(lái)了技術(shù)的靈活可控性。

可以相信，隨著鍍膜工藝研究的深入和電源控制模式研發(fā)的進(jìn)展，HiPIMS技術(shù)應(yīng)用會(huì)越來(lái)越方便（甚至像直流磁控或中頻磁控一樣方便），也會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。