高功率脈沖磁控濺射技術（上）

高功率脈沖磁控濺射(HiPIMS)，由Kouznetsov1等人于1999年提出，是在脈沖功率技術的基礎上發展起來的一種極有前途的磁控濺射技術。為了將該技術與其他脈沖磁控濺射技術區分開來，一般定義為2：HiPIMS是峰值功率通常超過平均功率兩個數量級的磁控濺射技術。在過去的20年里，人們對這項技術的興趣日益增加。

HiPIMS的主要特點是結合了脈沖等離子體放電的標準磁控濺射，目的是通過大量的電離濺射材料，產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4。而對反應沉積的化合物薄膜5,6，HiPIMS能夠調控它們的相組成7、微觀結構8以及機械9和光學性能5,7。相關研究已表明，它在提高薄膜附著力方面有著突出的表現10，能夠在復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具有上述優勢特點而極具工業開發的潛質。

一、HiPIMS產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，往往難以實現大量電離濺射材料14-16。當沉積等離子體中離子組分比原子更多時，我們成為稱為離子鍍膜（IPVD）。目前有幾種不同的IPVD技術，如蒸發后電離：放置在沉積室中的射頻線圈產生離子，當施加負偏壓時，可加速離子達到到基板表面17；另一種技術是陰極電弧蒸發，它利用局部極高電流放電可以產生高密集等離子體的特點，在特定的點周圍產生高度電離等離子體18,19。

另一種實現IPVD的方法是使用HiPIMS。HiPIMS可以設置在一個傳統的磁控濺射系統中，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)最多達到每平方厘米幾安培24。通過對磁控陰極使用非常高的瞬時功率密度，在HiPIMS脈沖期間，靶前方的載流子會大幅增加。在數字上，這意味著對于HiPIMS放電，靠近靶表面的電離區域的電子密度在1018~1019 m-3的數量級25,26。對于電子密度約為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，峰值電流密度達到約1.6 A cm-2.