怎樣提高高功率脈沖磁控濺射（HiPIMS）沉積速率？電源、磁場(chǎng)、工藝自身！

摘要：高功率脈沖光磁控濺射（HiPIMS）沉積速率低，一直受到行業(yè)詬病，甚至成為其大批量應(yīng)用的瓶頸。但是近些年國(guó)內(nèi)外的科學(xué)家還是下了很多功夫進(jìn)行攻關(guān)。下面將予以典型論述和分析。

點(diǎn)睛：提高HiPIMS鍍膜的膜層沉積速率的方法

1.磁控靶磁場(chǎng)改變，如降低磁場(chǎng)、非平衡磁場(chǎng)等

2.脈沖電源波形改變，如多脈沖波形、正負(fù)波形等

3.鍍膜工藝改變，如低氣壓、窄脈寬等

問題背景：

高功率脈沖磁控濺射工作在放電曲線的輝弧轉(zhuǎn)化區(qū)域，相對(duì)于傳統(tǒng)磁控，其工作電壓高，放電電流大。這帶來幾個(gè)問題，一方面同樣功率下，二次電子發(fā)射系數(shù)高，同樣的電流時(shí)Ar粒子的束流會(huì)變小，因?yàn)殡娏髦邪芏喽坞娮樱ㄗⅲ憾坞娮与S電壓增高而增高，但對(duì)濺射率本身沒有貢獻(xiàn)）。同時(shí)由于較高的靶電壓，離子回吸效應(yīng)也強(qiáng)，等等效應(yīng)。綜合起來平均功率相等的前提下，HiPIMS的沉積速率低于常規(guī)直流，嚴(yán)重的時(shí)候低到30%。這在工業(yè)生產(chǎn)中是難以想象的。

經(jīng)過這些年的研究和相關(guān)的文獻(xiàn)查詢，提高HIPIMS工藝方法的沉積速率，需要從磁控靶陰極、外部磁場(chǎng)、與外部等離子體源復(fù)合、HiPIMS磁控電源自身以及濺射沉積工藝等幾個(gè)方面想辦法。

1）正負(fù)脈沖增強(qiáng)

在HiPIMS脈沖結(jié)束后，在工件上加一個(gè)正電壓，可以提高靶電壓和等離子體電位，有助于真空室內(nèi)的等離子體飛向工件，增加沉積速率。有報(bào)道研究了雙極HiPIMS，鈦靶，20 μs的負(fù)脈沖和一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的正脈沖來加速大多數(shù)離子向工件移動(dòng)。結(jié)果比常規(guī)HiPIMS具有更高的沉積速率。對(duì)于碳靶，雙極HiPIMS有利于離子的產(chǎn)生和向工件傳輸，同時(shí)sp3分?jǐn)?shù)增加。反向脈沖電壓為200 V時(shí)，sp3占比可提高約50%。

2）電源脈沖串

脈沖串可以優(yōu)化沉積速率或離化率，在傳統(tǒng)的單脈沖HiPIMS(也稱為s-HiPIMS)或多脈沖波形（m-HiPIMS)中，需要考慮脈沖配置優(yōu)化。對(duì)于這種情況(即s-HiPIMS)，減少脈沖長(zhǎng)度會(huì)增加沉積速率。較長(zhǎng)的脈沖長(zhǎng)度會(huì)增加回吸，產(chǎn)生較低的沉積速率。實(shí)際上短脈沖(3-10 μs)可以減少電弧。在后一種情況下，多脈沖配置可以觀察到Ti沉積速率的增加。優(yōu)化脈沖延遲時(shí)間可以使沉積速率提高50%。

3）高低脈沖

利用階梯脈沖的高功率脈沖磁控濺射(HiPIMS)技術(shù)，即放電由脈寬短、電壓高的引燃脈沖和脈寬長(zhǎng)、 電壓低的工作脈沖2部分組成，有助于解決傳統(tǒng)高功率脈沖磁控濺射沉積 速率低的問題。Cr靶測(cè)試，制備CrN薄膜。結(jié)果表明：隨著引燃脈沖電壓的施加，雙脈沖高功率脈沖磁控濺射Cr靶放電瞬間建立，并獲得較高的峰值電流，而傳統(tǒng)HiPIMS模式的輸出是漸漸爬升的三角波電流；與傳統(tǒng)高功率脈沖磁控濺射相比，單位功率下雙脈沖高功率脈沖磁控濺射具有更高的基體電流積分以及更多的Ar+ 和Cr0 數(shù)量；在實(shí)驗(yàn)條件下雙脈沖高功率脈沖磁控濺射單位功率下CrN薄膜沉積速率為2.52 μm/(h ·kW)，比傳統(tǒng)高功率脈 沖磁控濺射提高近3倍。

4）弱磁場(chǎng)增強(qiáng)

已經(jīng)研究表明：降低磁場(chǎng)強(qiáng)度有助于HiPIMS沉積速率增加，甚至是標(biāo)準(zhǔn)磁鐵組的幾倍。有報(bào)道稱具有多個(gè)約束區(qū)的對(duì)稱圓形磁體組合提高了沉積速率。他們是這樣解釋的：創(chuàng)建一種磁場(chǎng)位型控制電子，通過雙極性擴(kuò)散和膨脹的等離子體導(dǎo)致離子沉積增加，從而在通往襯底的途中電離額外的中性離子，從而提高沉積速率。

總結(jié)：磁控濺射本源就是利用電磁場(chǎng)影響放電，而等離子體放電具有非線性，這就為電磁場(chǎng)增加沉積速率提供空間。無論單獨(dú)磁場(chǎng)或電場(chǎng)或組合，都是在影響等離子體密度、離子/原子比、快電子數(shù)量、電子雪崩的快慢等等，進(jìn)而影響了單位功率下的離化率和濺射率（沉積率）。

參考文獻(xiàn)：R. Ganesan,SCT2023，Jake McLain, Vaccum2018，H. Larhlimi，SCT2023，吳厚樸，金屬學(xué)報(bào)2019