HiPIMS放電制備純金屬薄膜的優勢

HiPIMS放電使用的脈沖持續時間范圍從幾微秒到幾百微秒，而脈沖重復頻率范圍從~10 Hz到~10 kHz。在這些條件下，HiPIMS放電的峰值電流密度可以達到A/m²量級，而DCMS只有A/cm²量級，但前者放電只占工作時間的~1%。因此，等離子體準時產生致密等離子體，不僅可以實現快速的靶濺射，還可以實現金屬蒸氣的高電離率。基于電探針診斷，HiPIMS中的電子能量分布函數是一個空間和時間相關的特征，在等離子體的開啟和關閉時間中不斷變化。等離子體密度在放電的強磁化區域內達到峰值，在這里發生電子約束，并且磁力線與靶表面平行。然后，等離子體向襯底膨脹，電子穿過磁阱擴散，填充電極間空間。在襯底位置的早期測量顯示，電子密度峰值高達10¹¹~10¹³ cm^?3，這比在DCMS中觀察到的要高幾個數量級（見圖1）。增加的電子密度（以及溫度）意味著電離速率的提高，通過直接的電子沖擊電離，極大地影響濺射金屬原子的電離速率。因此通過HiPIMS技術可以制備高性能、特定結構的純金屬薄膜。

圖1. Langmuir探針測量HiPIMS放電中不同延遲時間（△t = 40、160、280和640 μs）下電子密度的空間分布。壓強是15pa，t_ON = 100 μs。使用直徑150 mm的圓形鈦靶（位于底部），Z表示到靶的距離

1. 利用HiPIMS技術調控Ti薄膜沉積過程的晶相

Ti在常溫常壓下呈現hcp相（α相），保持壓力不變，在1163 K左右α相轉變為致密的bcc相（β相），其相比于α相具有更強的延展性，力學性能與骨骼更匹配，因此被廣泛用于生物醫學植入體中。Ti的六方ω相則需要在高壓條件下（2~7 GPa）形成。在大多數情況下，生長的Ti是α-相，但在HiPIMS條件下，Ti離子場的引入允許在低能量下形成fcc相 Ti，并誘導在非外延狀態和高能量下形成ω相。其中離子密度和偏置電壓對fcc相和ω相的形成起著至關重要的作用。此外Ti雖然被歸類為低遷移率金屬，但在HiPIMS沉積過程中，隨著厚度的增加，應力發展經歷了壓縮-拉伸-壓縮（CTC）三個階段，生產不同厚度的鈦膜，可以調整相組成。

圖2.（a） DCMS體系，（b）無施加偏置的HiPIMS體系，（c）施加偏置為300 V的HiPIMS體系，（d）施加偏置為500 V的HiPIMS體系沉積Ti膜的XRD譜圖，（e）退火前后Ti薄膜的XRD譜圖，（f）不同偏壓下α-相薄膜的織構系數。

2. HiPIMS控制生長金屬薄膜的動力學效應

大功率脈沖磁控濺射（HiPIMS）及其變體調制脈沖功率磁控濺射（MPPMS）的出現，為控制濺射物質的通量提供了一個新的可能，即控制生長薄膜的動力學效應。為減少放電過程中電弧的產生，提出了一種新的MPPMS脈沖設計，即深振蕩磁控濺射（DOMS）。通過直流磁控濺射（DCMS）放電的比較，發現DCMS沉積的Cr膜具有柱狀形態，優先[110]取向，薄膜中仍然存在一些孔隙，力學性能始終低于塊體材料。隨著峰值功率的增加，DOMS工藝沉積的Cr膜沉積速率從DCMS沉積速率的60%下降到30%，薄膜具有[110]擇優取向。隨著峰值功率的的繼續增加，薄膜形貌由柱狀變為致密狀，硬度提高至17 GPa，晶格參數增大，晶粒尺寸減小，薄膜的楊氏模量接近塊體材料，無孔隙。

圖3.遲發性脈沖的典型I-V波形和DOMS沉積的Cr膜的衍射圖與靶峰值功率的函數關系

3. 利用HiPIMS技術外延生長擇優取向金屬薄膜

在等離子體沉積技術中，氬或氫輝光放電中的離子轟擊通常用作步預處理工藝，為金屬和半導體基板提供無污染物和天然氧化物的晶體表面。高電離金屬通量被交替地用作預處理，使用HiPIMS和陰極電弧工藝，并結合施加在襯底上的高負直流偏置電壓，能夠產生具有明確化學性質的界面，從而提高了薄膜/襯底的附著力（與使用傳統Ar輝光放電獲得的結果相比），并促進后續沉積的薄膜局部外延生長。盡管使用上述概述的策略尚未實現整個薄膜的外延生長，但結果表明HiPIMS放電產生的離子轟擊可以完全或部分去除存在于襯底表面的天然氧化物，并導致薄膜/襯底界面處的優先生長方向。基于HiPIMS的沉積工藝，通過襯底的直流偏置控制，在覆蓋有天然氧化物的Si(001)取向晶片上可以生長厚達150 nm的外延Cu薄膜，而無需任何預處理工藝。當襯底的直流偏置電壓為?130 V時，HiPIMS按照Cu(001) [100]//Si(001)[110]取向實現了Cu/Si的異質外延生長，而在相同的平均沉積條件下，使用傳統的直流磁控濺射，沉積了具有[111]擇優取向的多晶Cu薄膜。

圖4. 偏置電壓對HiPIMS和DCMS制備的薄膜晶體結構的影響；?130 V偏壓下Cu薄膜的{111}和{200}晶面族XRD極圖

參考文獻

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