HiPIMS：简单的方法就能调控磁控溅射中的金属/气体离子比？

1）磁控溅射：HiPIMS中简单的脉宽变化，就能调控膜层中的金属/气体离子比。

2）常规的磁控靶换成HiPIMS电源就可以达到上述效果。

　　高功率脉冲磁控溅射技术（HiPIMS）一直是磁控溅射领域的研究热点，自1999年HiPIMS被提出，其实也仅仅过去20几年，在工业领域还属于新生代，也一直在进行工业化推广。HiPIMS的技术优势也已经被普遍认可，相比传统DCMS，HiPIMS具有高等离子体密度、高金属离化率，这些优势在优化膜层质量都具有重要意义。

　　常规的DCMS主要是离化了气体粒子，通过施加偏压，使气体离子轰击膜层，我们希望获得高的离子轰击强度，但是高的气体离子轰击，气体粒子不是成膜粒子，很容易在对膜层轰击过程中，引入残余应力。而HiPIMS引入了更多的金属离子，从而在增加膜层低温生长期间膜层的致密性的同时，具有低的膜层应力。这里就出现了一个金属/气体离子比的概念，这个参数不像大多数等离子体状态那样容易监视，比如通常来说，高的功率、高的峰值靶电流密度，就会带来更高的等离子体密度、更高的金属离化率，那么我们在轰击基体的离子中，想获得高的金属/气离子比，怎么获得?

　　瑞典林雪平大学（也就是提出HiPIMS技术的大学）的G. Greczynski等人，在研究HiPIMS技术中就指出了，直接利用HiPIMS脉宽的调节，来很大范围内调控金属/气体离子比的方法。该研究以题为Control of the metal/gas ion ratio incident at the substrate plane during high-power impulse magnetron sputtering of transition metals in Ar 发表在《Thin Solid Films》杂志上。

　　G. Greczynski等人控制峰值靶功率一定，改变HiPIMS脉冲持续时间，分别研究了Ti、Zr、Hf靶在Ar气放电条件下，不同脉宽下到达基体的金属/气体离子通量。我们通过下图可以看到，Ti靶放电条件下，通过调节脉宽从30μs到120μs，Ti金属/Ar气体离子到达基体的通量比可以从约60调节到约为1。其实原因也很好理解，HiPIMS放电中，其靶电压和靶电流的波形耦合导致了在一个脉冲波形中，靶功率具有一个峰值，在靶功率峰值处，气体稀薄效应最强烈，可以理解为在这个峰值下，靶最热，使靶前的气体被排开，导致此时的气体粒子最少，从而使金属粒子有机可乘，此时金属/气体离子比最高。脉宽继续增加，靶功率峰值下降，气体粒子再次回归，金属/气体离子比下降。

　　图1. (a)Ti靶电压和(b)Ti靶电流密度在不同HiPIMS脉冲持续时间(20-120μs)条件下的波形图。

图2. Ti、Zr、Hf靶在Ar气放电条件下，不同脉宽下到达基体的金属/气体离子通量。

这种通过优化HiPIMS脉冲长度，直接调控金属/气体离子比，在工业应用中就很受用。对于常规的磁控靶换成HiPIMS电源就可以直接用于调控金属/气体离子比。文献中给出的气体离子是Ar+，对于其他气体（如：氮气、乙炔等）也适用。其实HiPIMS从实验室向工业推广的阻力，其实就是HiPMS技术的不稳定性和复杂性。如果能够探究清楚，这些参数对于等离子体状态的影响，从而进一步指导膜层优化，那对于我们产业界的技术迭代，具有重要的意义。

另一方面，我认为，HiPIMS相对于DCMS还有一个巨大优势，本身就在于其复杂性的提高，在于HiPIMS的放电模式是由脉冲波形组成的，而DCMS是一个稳定的直流。脉冲的存在直接在技术中多出了很多的参数窗口，脉宽、频率、占空比、电压峰值、电流峰值等等，参数窗口的增加，也进一步带来了技术的灵活可控性。

可以相信，随着镀膜工艺研究的深入和电源控制模式研发的进展，HiPIMS技术应用会越来越方便（甚至像直流磁控或中频磁控一样方便），也会得到越来越广泛的应用。