高功率脉冲磁控溅射技术简介（下）

高离化等离子体沉积成膜的特点：

在磁控溅射技术中，可以通过控制沉积参数的变化，转移到成膜粒子的能量，从而调控薄膜性质28。在为生长膜提供能量的各种方法中，电离物质的轰击被广泛使用29,30。许多研究表明，在薄膜生长过程中，等离子体薄膜界面受轰击离子的能量、通量、它们的性质和入射角的影响31,32。在HiPIMS中，衬底处可获得高脉冲离子通量。这些参数决定了动量传递到薄膜原子的效率33，并对薄膜的微观结构31以及机械、光学和电学性质产生影响34-36。

 1. 在形状复杂的衬底上沉积

在复杂几何形状的衬底上沉积均匀的薄膜是许多技术应用的要求，例如在光学和半导体器件中亚微米图案的金属化37,38和在成形工具和涡轮叶片上沉积厚保护层39,40。在如DCMS等传统的溅射技术中，沉积通量具有高度的各向异性，导致不均匀的沉积、孔隙和沿低通量方向的衬底位置的覆盖率差。为了缓解这些问题，可以使用高度电离沉积通量，因为带电物质的轨迹可以由电场和磁场控制，如图2所示。

图2. 通过(a) HiPIMS和(b) DCMS在Si衬底上生长的Ta薄膜的横截面扫描电子显微镜(SEM)图像，衬底固定在深度为2 cm，面积为1 cm2的沟槽一侧。HiPIMS沉积的薄膜致密，柱状晶垂直于Ta/Si界面生长。DCMS沉积的薄膜具有多孔的微观结构，柱状晶向通量方向倾斜11。

2. HiPIMS调控相位组成

薄膜的相组成对其机械、电气和光学性能至关重要。在溅射过程中，相对较低的生长温度和较高的沉积速率会限制动力学生长41。这与在衬底上的蒸汽凝结过程中极高的冷却速率（1013 Ks-1）相结合，导致非平衡生长。沉积过程中热力学和动力学条件的变化使相组成的变化成为可能。大量研究表明，高能离子可以用于这一目的，因为它们可以触发表面和体积扩散过程，诱导薄膜结构和化学成分的变化42，并引起内应力的产生43-46。如图3所示。

图3. 基于不同偏压(a) 50, (b) 70 和(c) 90 V在Si衬底上用HiPIMS沉积Ta薄膜的X射线衍射图，在-70V偏压离子轰击下，诱导压应力生成α-Ta8。

3.薄膜微观结构控制与界面工程

使用最先进的溅射技术在相对较低的温度下（通常低于0.4Tm，其中Tm是沉积材料的熔化温度）沉积，只能激活表面扩散，从而形成具有柱状微观结构和柱间孔隙的薄膜。如图4 (a)。使用HiPIMS生长薄膜的特点是，到衬底的离子通量高（高达每平方厘米几百毫安），能量相对较低。这些生长条件增强表面扩散，导致薄膜致密化46,47，如图4(b)所示。在增加可用的离子通量的衬底（例如：通过增加峰值靶电流），重新成核46,48导致抑制柱状结构，并从致密多晶球状向纳米晶体微观结构过渡49。如图4 (c)- 4(d)。当生长过程中不能获得高能量通量时，球形显微结构是杂质相偏析的结果，它阻碍了晶体和晶粒的生长。因此，很明显，在HiPIMS过程中低能高通量离子辐照可以用来克服低密度和粗糙的微观结构的特征，并获得低温溅射沉积独特的形貌与DCMS沉积的薄膜相比，这使得薄膜具有更高的硬度48,50，更低的摩擦系数9,51，并提高了划痕、磨损和耐腐蚀性能9,48。

图4：(a) DCMS沉积在Si上的CrN薄膜的横断面SEM图像，以及HiPIMS在峰值靶电流(b) 44 A(1.0 A cm-2), (c) 74 A (1.7 A cm-2), and (d) 180 A (4.0 A cm-2).下的图像。峰值靶电流的增加导致致密的多晶形态转变为无特征的纳米晶形态。每张SEM图片旁边的草图只是为了方便读者的示意11。