雙極HiPIMS調(diào)控薄膜生長(zhǎng)過(guò)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(duì)于優(yōu)異的薄膜生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，僅有高離子流密度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，為獲得更快的生長(zhǎng)速率與致密的膜層質(zhì)量，到達(dá)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(guò)在負(fù)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(rèn)為正向脈沖可以提高HiPIMS放電后的等離子體電勢(shì)，從而加速到達(dá)基底的離子的能量，提高薄膜生長(zhǎng)速率與質(zhì)量。

點(diǎn)睛

1）負(fù)脈沖HiPIMS后加正向脈沖可有效提高到達(dá)基底上的離子能量；

2）磁場(chǎng)限制區(qū)，離子運(yùn)動(dòng)與正向脈沖無(wú)關(guān)，但脫離該區(qū)域，離子運(yùn)動(dòng)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(xué)的J. Keraudy等人，通過(guò)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(dá)基底的離子能量，以及根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)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(fù)脈沖之后有一個(gè)正脈沖電壓。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)加入正向脈沖電壓后，可有效提高到達(dá)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(shì)分布

除了離子能量增加外，在圖1(b)也觀察到強(qiáng)度的降低，說(shuō)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(chǎng)約束區(qū)，等離子體電勢(shì)沒(méi)有變化，正向脈沖對(duì)離子沒(méi)有效果，當(dāng)離子逃逸至過(guò)渡區(qū)以及接地區(qū)，等離子體電勢(shì)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(shì)。因此我們可以測(cè)試到被加速的離子能量以及離子強(qiáng)度的降低(部分離子沒(méi)有脫離磁場(chǎng)限制區(qū))。

延伸

1) 通過(guò)離子能量分析，從實(shí)驗(yàn)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(jī)理。

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