高功率脈沖磁控濺射技術簡介（下）

高離化等離子體沉積成膜的特點：

在磁控濺射技術中，可以通過控制沉積參數(shù)的變化，轉(zhuǎn)移到成膜粒子的能量，從而調(diào)控薄膜性質(zhì)28。在為生長膜提供能量的各種方法中，電離物質(zhì)的轟擊被廣泛使用29,30。許多研究表明，在薄膜生長過程中，等離子體薄膜界面受轟擊離子的能量、通量、它們的性質(zhì)和入射角的影響31,32。在HiPIMS中，襯底處可獲得高脈沖離子通量。這些參數(shù)決定了動量傳遞到薄膜原子的效率33，并對薄膜的微觀結(jié)構(gòu)31以及機械、光學和電學性質(zhì)產(chǎn)生影響34-36。

 1. 在形狀復雜的襯底上沉積

在復雜幾何形狀的襯底上沉積均勻的薄膜是許多技術應用的要求，例如在光學和半導體器件中亞微米圖案的金屬化37,38和在成形工具和渦輪葉片上沉積厚保護層39,40。在如DCMS等傳統(tǒng)的濺射技術中，沉積通量具有高度的各向異性，導致不均勻的沉積、孔隙和沿低通量方向的襯底位置的覆蓋率差。為了緩解這些問題，可以使用高度電離沉積通量，因為帶電物質(zhì)的軌跡可以由電場和磁場控制，如圖2所示。

圖2. 通過(a) HiPIMS和(b) DCMS在Si襯底上生長的Ta薄膜的橫截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，襯底固定在深度為2 cm，面積為1 cm2的溝槽一側(cè)。HiPIMS沉積的薄膜致密，柱狀晶垂直于Ta/Si界面生長。DCMS沉積的薄膜具有多孔的微觀結(jié)構(gòu)，柱狀晶向通量方向傾斜11。

2. HiPIMS調(diào)控相位組成

薄膜的相組成對其機械、電氣和光學性能至關重要。在濺射過程中，相對較低的生長溫度和較高的沉積速率會限制動力學生長41。這與在襯底上的蒸汽凝結(jié)過程中極高的冷卻速率（1013 Ks-1）相結(jié)合，導致非平衡生長。沉積過程中熱力學和動力學條件的變化使相組成的變化成為可能。大量研究表明，高能離子可以用于這一目的，因為它們可以觸發(fā)表面和體積擴散過程，誘導薄膜結(jié)構(gòu)和化學成分的變化42，并引起內(nèi)應力的產(chǎn)生43-46。如圖3所示。

圖3. 基于不同偏壓(a) 50, (b) 70 和(c) 90 V在Si襯底上用HiPIMS沉積Ta薄膜的X射線衍射圖，在-70V偏壓離子轟擊下，誘導壓應力生成α-Ta8。

3.薄膜微觀結(jié)構(gòu)控制與界面工程

使用最先進的濺射技術在相對較低的溫度下（通常低于0.4Tm，其中Tm是沉積材料的熔化溫度）沉積，只能激活表面擴散，從而形成具有柱狀微觀結(jié)構(gòu)和柱間孔隙的薄膜。如圖4 (a)。使用HiPIMS生長薄膜的特點是，到襯底的離子通量高（高達每平方厘米幾百毫安），能量相對較低。這些生長條件增強表面擴散，導致薄膜致密化46,47，如圖4(b)所示。在增加可用的離子通量的襯底（例如：通過增加峰值靶電流），重新成核46,48導致抑制柱狀結(jié)構(gòu)，并從致密多晶球狀向納米晶體微觀結(jié)構(gòu)過渡49。如圖4 (c)- 4(d)。當生長過程中不能獲得高能量通量時，球形顯微結(jié)構(gòu)是雜質(zhì)相偏析的結(jié)果，它阻礙了晶體和晶粒的生長。因此，很明顯，在HiPIMS過程中低能高通量離子輻照可以用來克服低密度和粗糙的微觀結(jié)構(gòu)的特征，并獲得低溫濺射沉積獨特的形貌與DCMS沉積的薄膜相比，這使得薄膜具有更高的硬度48,50，更低的摩擦系數(shù)9,51，并提高了劃痕、磨損和耐腐蝕性能9,48。

圖4：(a) DCMS沉積在Si上的CrN薄膜的橫斷面SEM圖像，以及HiPIMS在峰值靶電流(b) 44 A(1.0 A cm-2), (c) 74 A (1.7 A cm-2), and (d) 180 A (4.0 A cm-2).下的圖像。峰值靶電流的增加導致致密的多晶形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o特征的納米晶形態(tài)。每張SEM圖片旁邊的草圖只是為了方便讀者的示意11。