双极HiPIMS调控薄膜生长过程中的离子能量

引言

高功率脉冲磁控溅射技术（HiPIMS）相比传统直流磁控溅(DCMS)，HiPIMS具有高等离子体密度、高金属离化率，更高的离子流密度。但对于优异的薄膜生长来说，仅有高离子流密度还远远不够，为获得更快的生长速率与致密的膜层质量，到达基底的离子能量也至关重要。相比于传统的HiPIMS,双极HiPIMS通过在负向脉冲放电完成后加一定正向脉冲，可以有效地提高成膜的沉积速率。研究认为正向脉冲可以提高HiPIMS放电后的等离子体电势，从而加速到达基底的离子的能量，提高薄膜生长速率与质量。

点睛

1）负脉冲HiPIMS后加正向脉冲可有效提高到达基底上的离子能量；

2）磁场限制区，离子运动与正向脉冲无关，但脱离该区域，离子运动受到正脉冲影响，从而获得更高能量；

内容

为证明这种猜想，瑞典林雪平大学的J. Keraudy等人，通过离子能量分析谱分析了双极性HiPIMS放电添加不同正向脉冲电压下的离子到达基底的离子能量，以及根据实验结果的预测模型。如图1(a)所示，给出了常规与双极HiPIMS的区别，相比于常规HiPIMS,双极性HIPIMS在负脉冲之后有一个正脉冲电压。试验结果表明，当加入正向脉冲电压后，可有效提高到达基底的金属离子能量，如图1(b)。

图1.(a)HiPIMS电压,(b)离子能量,(c)分析模型,(d)等离子体电势分布

除了离子能量增加外，在图1(b)也观察到强度的降低，说明并非所有的离子被完全加速到基底。为了解释该现象，作者提出了假设模型，如图1(c-d)，在磁场约束区，等离子体电势没有变化，正向脉冲对离子没有效果，当离子逃逸至过渡区以及接地区，等离子体电势迅速降低，但可以看到接地区有△Uws，该值便是正向脉冲产生的等离子体电势。因此我们可以测试到被加速的离子能量以及离子强度的降低(部分离子没有脱离磁场限制区)。

延伸

1) 通过离子能量分析，从实验上佐证了双极性HiPIMS提高成膜速率的原因。

2) 模型化分析有助于理解双极HiPIMS的放电机理。

3) 正如文章所述，过渡区正向脉冲引入的等离子体电势变化是怎样的还需进一步明确。