HiPIMS靶材溅射速率

引言

HiPIMS由于高峰值电流及其高离化率，可以得到性能优异的致密膜层，伴随而来的HiPIMS溅射速率也会相对更低，本文将分析HiPIMS溅射速度低的原因及可能的改进方法。

点睛

1)HiPIMS溅射速率相对于DCMS溅射速率，离化率越高的靶材其溅射速率下降越快

2)HiPIMS溅射碳靶材，由于离化率低，溅射速率下降不大，而像Cu和Cr金属靶，HiPIMS下离化率越高，其自持溅射越高，溅射速率相对于越低。

内容

HIPIMS的溅射速率由溅射靶材，脉冲结构，反应溅射模式还有非反应溅射模式决定，在相同平均功率情况下HiPIMS溅射速率是DCMS溅射速率的15%-120%，如表1统计所示。从表1看，HiPIMS溅射速率相对DC溅射其速率普遍偏慢。

表1、不同材料溅射时HiPIMS与DCMS沉积速率比[1]

为理解HiPIMS溅射速率的减慢，需要关注溅射过程中两个阶段：A、等离子体和靶材的相互作用，即对靶材刻蚀速度影响，B、溅射离化物从靶材表面到基底表面的运输过程。等离子体与靶材相互作用：由于HiPIMS阴极的电压范围为400-2000V，而DCMS的电压300-400V，意味着相同功率的情况下，HPPMS的平均电流会更小，将导致溅射靶材的离子流将减少，因而带来靶材刻蚀速率下降。在离子运输阶段：HiPIMS获得的高离化率，将增加离化的金属离子重新朝向靶材运输而不是基底，即将有一部分离子在self-sputter，在等离子体区域自我放电状态。

为理解自持放电（self-sputter），测试不同靶材的在HiPIMS作用下的轰击靶材离子的成分，部分来自氩离子，部分来自靶材离子，如下表2所示。从中可以看到，以C靶材为例，在溅射中以Ar+为主，在离子流中不能存在C+主要是因为C的溅射产额太低，和C的离化势能比较高。同样低的溅射产额，导致低的溅射粒子流动，导致气体稀释现象降低。而Cr和Cu靶材由于溅射产额高及其离化率高，轰击靶材除Ar+之外，有接近一半的金属离子轰击。

由于不同材料的离化率不同，导致HiPIMS溅射中C的溅射速率不会偏离，而Cr和Cu则由于self-sputter自持溅射的存在导致HiPIMS溅射中低的溅射速率。

表2、500ev入射粒子下轰击靶面的氩离子与自溅射金属离子比例[2-3]

总结

1)HiPIMS溅射速率相对与DCMS溅射速率，离化率越高的靶材其溅射速率下降越快。

2)在长脉宽下，金属放电会进入自持放电模式可以增加离子种类和数量；像碳等高离化能材料，即使在长脉宽下也不能增加离化，溅射速率下降不明显。