高功率脈沖磁控濺射技術(shù)（上）

高功率脈沖磁控濺射(HiPIMS)，由Kouznetsov1等人于1999年提出，是在脈沖功率技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種極有前途的磁控濺射技術(shù)。為了將該技術(shù)與其他脈沖磁控濺射技術(shù)區(qū)分開來，一般定義為2：HiPIMS是峰值功率通常超過平均功率兩個(gè)數(shù)量級(jí)的磁控濺射技術(shù)。在過去的20年里，人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的興趣日益增加。

HiPIMS的主要特點(diǎn)是結(jié)合了脈沖等離子體放電的標(biāo)準(zhǔn)磁控濺射，目的是通過大量的電離濺射材料，產(chǎn)生高度電離的等離子體3。濺射材料的高度電離沉積的膜層具有光滑致密的膜層特點(diǎn)4。而對(duì)反應(yīng)沉積的化合物薄膜5,6，HiPIMS能夠調(diào)控它們的相組成7、微觀結(jié)構(gòu)8以及機(jī)械9和光學(xué)性能5,7。相關(guān)研究已表明，它在提高薄膜附著力方面有著突出的表現(xiàn)10，能夠在復(fù)雜形狀的襯底上沉積均勻的薄膜11,12，并且具有較低的沉積溫度13。因HiPIMS具有上述優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)而極具工業(yè)開發(fā)的潛質(zhì)。

一、HiPIMS產(chǎn)生高離化率等離子體的原因：

在磁控濺射等輝光放電過程中，往往難以實(shí)現(xiàn)大量電離濺射材料14-16。當(dāng)沉積等離子體中離子組分比原子更多時(shí)，我們成為稱為離子鍍膜（IPVD）。目前有幾種不同的IPVD技術(shù)，如蒸發(fā)后電離：放置在沉積室中的射頻線圈產(chǎn)生離子，當(dāng)施加負(fù)偏壓時(shí)，可加速離子達(dá)到到基板表面17；另一種技術(shù)是陰極電弧蒸發(fā)，它利用局部極高電流放電可以產(chǎn)生高密集等離子體的特點(diǎn)，在特定的點(diǎn)周圍產(chǎn)生高度電離等離子體18,19。

另一種實(shí)現(xiàn)IPVD的方法是使用HiPIMS。HiPIMS可以設(shè)置在一個(gè)傳統(tǒng)的磁控濺射系統(tǒng)中，通過改變電源從而提供高功率脈沖的幾千瓦每平方厘米的峰值功率，且可以避免磁控靶的損壞20，如圖1所示。脈沖的長(zhǎng)度通常保持在10~500μs21,22的范圍，脈沖頻率從幾十赫茲到千赫茲17,23。在大多數(shù)HiPIMS過程中，脈沖期間施加的電壓通常在500~1000 V左右，峰值電流密度(峰值放電電流/靶面積)最多達(dá)到每平方厘米幾安培24。通過對(duì)磁控陰極使用非常高的瞬時(shí)功率密度，在HiPIMS脈沖期間，靶前方的載流子會(huì)大幅增加。在數(shù)字上，這意味著對(duì)于HiPIMS放電，靠近靶表面的電離區(qū)域的電子密度在1018~1019 m-3的數(shù)量級(jí)25,26。對(duì)于電子密度約為1019m-3的濺射金屬原子，電離平均自由程約為1 cm，而對(duì)于電子密度為1017 m-3的直流磁控濺射（DCMS）放電，電離平均自由程約為50 cm27；因此，由于HiPIMS放電中的高電子密度，濺射材料的很大一部分因此被電離。

圖1. 典型的大功率脈沖磁控濺射(HiPIMS)放電脈沖的電壓和電流特性。此圖是Cu在1.33Pa下放電，峰值電流密度達(dá)到約1.6 A cm-2.