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的變化，轉移到成膜粒子的能量，從而調控薄膜性質28。在為生長膜提供能量的各種方法中，電離物質的轟擊被廣泛使用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。這些參數決定了動量傳遞到薄膜原子的效率33，并對薄膜的微觀結構31以及機械、光學和電學性質產生影響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。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構，柱狀晶向通量方向傾斜11。

2. HiPIMS調控相位組成

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過程中極高的冷卻速率（1013 Ks-1）相結合，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，因為它們可以觸發表面和體積擴散過程，誘導薄膜結構和化學成分的變化42，并引起內應力的產生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.薄膜微觀結構控制與界面工程

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構和柱間孔隙的薄膜。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導致抑制柱狀結構，并從致密多晶球狀向納米晶體微觀結構過渡49。如圖4 (c)- 4(d)。當生長過程中不能獲得高能量通量時，球形顯微結構是雜質相偏析的結果，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構的特征，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轉變為無特征的納米晶形態。每張SEM圖片旁邊的草圖只是為了方便讀者的示意11。