雙極HiPIMS調(diào)控薄膜生長過程中的離子能量

引言

高功率脈沖磁控濺射技術(shù)（HiPIMS）相比傳統(tǒng)直流磁控濺(DCMS)，HiPIMS具有高等離子體密度、高金屬離化率，更高的離子流密度。但對于優(yōu)異的薄膜生長來說，僅有高離子流密度還遠遠不夠，為獲得更快的生長速率與致密的膜層質(zhì)量，到達基底的離子能量也至關(guān)重要。相比于傳統(tǒng)的HiPIMS,雙極HiPIMS通過在負向脈沖放電完成后加一定正向脈沖，可以有效地提高成膜的沉積速率。研究認為正向脈沖可以提高HiPIMS放電后的等離子體電勢，從而加速到達基底的離子的能量，提高薄膜生長速率與質(zhì)量。

點睛

1）負脈沖HiPIMS后加正向脈沖可有效提高到達基底上的離子能量；

2）磁場限制區(qū)，離子運動與正向脈沖無關(guān)，但脫離該區(qū)域，離子運動受到正脈沖影響，從而獲得更高能量；

內(nèi)容

為證明這種猜想，瑞典林雪平大學的J. Keraudy等人，通過離子能量分析譜分析了雙極性HiPIMS放電添加不同正向脈沖電壓下的離子到達基底的離子能量，以及根據(jù)實驗結(jié)果的預測模型。如圖1(a)所示，給出了常規(guī)與雙極HiPIMS的區(qū)別，相比于常規(guī)HiPIMS,雙極性HIPIMS在負脈沖之后有一個正脈沖電壓。試驗結(jié)果表明，當加入正向脈沖電壓后，可有效提高到達基底的金屬離子能量，如圖1(b)。

圖1.(a)HiPIMS電壓,(b)離子能量,(c)分析模型,(d)等離子體電勢分布

除了離子能量增加外，在圖1(b)也觀察到強度的降低，說明并非所有的離子被完全加速到基底。為了解釋該現(xiàn)象，作者提出了假設(shè)模型，如圖1(c-d)，在磁場約束區(qū)，等離子體電勢沒有變化，正向脈沖對離子沒有效果，當離子逃逸至過渡區(qū)以及接地區(qū)，等離子體電勢迅速降低，但可以看到接地區(qū)有△Uws，該值便是正向脈沖產(chǎn)生的等離子體電勢。因此我們可以測試到被加速的離子能量以及離子強度的降低(部分離子沒有脫離磁場限制區(qū))。

延伸

1) 通過離子能量分析，從實驗上佐證了雙極性HiPIMS提高成膜速率的原因。

2) 模型化分析有助于理解雙極HiPIMS的放電機理。

3) 正如文章所述，過渡區(qū)正向脈沖引入的等離子體電勢變化是怎樣的還需進一步明確。