HiPIMS：簡單的方法就能調控磁控濺射中的金屬/氣體離子比？

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

2）常規的磁控靶換成HiPIMS電源就可以達到上述效果。

　　高功率脈沖磁控濺射技術（HiPIMS）一直是磁控濺射領域的研究熱點，自1999年HiPIMS被提出，其實也僅僅過去20幾年，在工業領域還屬于新生代，也一直在進行工業化推廣。HiPIMS的技術優勢也已經被普遍認可，相比傳統DCMS，HiPIMS具有高等離子體密度、高金屬離化率，這些優勢在優化膜層質量都具有重要意義。

　　常規的DCMS主要是離化了氣體粒子，通過施加偏壓，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，很容易在對膜層轟擊過程中，引入殘余應力。而HiPIMS引入了更多的金屬離子，從而在增加膜層低溫生長期間膜層的致密性的同時，具有低的膜層應力。這里就出現了一個金屬/氣體離子比的概念，這個參數不像大多數等離子體狀態那樣容易監視，比如通常來說，高的功率、高的峰值靶電流密度，就會帶來更高的等離子體密度、更高的金屬離化率，那么我們在轟擊基體的離子中，想獲得高的金屬/氣離子比，怎么獲得?

　　瑞典林雪平大學（也就是提出HiPIMS技術的大學）的G. Greczynski等人，在研究HiPIMS技術中就指出了，直接利用HiPIMS脈寬的調節，來很大范圍內調控金屬/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脈沖持續時間，分別研究了Ti、Zr、Hf靶在Ar氣放電條件下，不同脈寬下到達基體的金屬/氣體離子通量。我們通過下圖可以看到，Ti靶放電條件下，通過調節脈寬從30μs到120μs，Ti金屬/Ar氣體離子到達基體的通量比可以從約60調節到約為1。其實原因也很好理解，HiPIMS放電中，其靶電壓和靶電流的波形耦合導致了在一個脈沖波形中，靶功率具有一個峰值，在靶功率峰值處，氣體稀薄效應最強烈，可以理解為在這個峰值下，靶最熱，使靶前的氣體被排開，導致此時的氣體粒子最少，從而使金屬粒子有機可乘，此時金屬/氣體離子比最高。脈寬繼續增加，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脈沖持續時間(20-120μs)條件下的波形圖。

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

這種通過優化HiPIMS脈沖長度，直接調控金屬/氣體離子比，在工業應用中就很受用。對于常規的磁控靶換成HiPIMS電源就可以直接用于調控金屬/氣體離子比。文獻中給出的氣體離子是Ar+，對于其他氣體（如：氮氣、乙炔等）也適用。其實HiPIMS從實驗室向工業推廣的阻力，其實就是HiPMS技術的不穩定性和復雜性。如果能夠探究清楚，這些參數對于等離子體狀態的影響，從而進一步指導膜層優化，那對于我們產業界的技術迭代，具有重要的意義。

另一方面，我認為，HiPIMS相對于DCMS還有一個巨大優勢，本身就在于其復雜性的提高，在于HiPIMS的放電模式是由脈沖波形組成的，而DCMS是一個穩定的直流。脈沖的存在直接在技術中多出了很多的參數窗口，脈寬、頻率、占空比、電壓峰值、電流峰值等等，參數窗口的增加，也進一步帶來了技術的靈活可控性。

可以相信，隨著鍍膜工藝研究的深入和電源控制模式研發的進展，HiPIMS技術應用會越來越方便（甚至像直流磁控或中頻磁控一樣方便），也會得到越來越廣泛的應用。