HIPIMS脉冲磁控溅射的工作原理

脉冲磁控溅射是一种用矩形波电压脉冲电源代替传统直流电源的磁控溅射。脉冲磁控溅射技术能有效地控制电弧的产生，消除由此产生的薄膜缺陷，并能提高沉积速率、降低沉积温度等一系列显著的优点。

脉冲可分为双向脉冲和单向脉冲。在负电压段，电源作用于靶材料的溅射。在正电压部分，引入积聚在目标表面上的电子和正电荷，使其表面清洁并暴露于金属表面。加到靶上的脉冲电压与一般磁控溅射相同(400 ~ 500V)。脉冲磁控溅射通常采用方波脉冲波形，能有效消除中频段(20 ~ 200 kHz)异常电弧放电，控制靶体的放电时间，保证靶体无毒不出现电弧放电。然后目标电压断开，目标甚至带正电。由于等离子体中电子的速度远高于离子的速度，靶体的正电压一般只有负偏压的10% ~ 20%，可以防止电弧放电。认为脉冲宽度(正负电压时间之比)起关键作用，当脉冲宽度达到1∶1时，正电压对电弧放电无明显影响，但对沉积速率有较大影响。当正电压从10%提高到20%(负电压之比)时，沉积率可提高50%。

双向脉冲多为双靶封闭型不平衡磁控溅射系统如图6所示，两个磁控系统在一个靶连接上相同的脉冲功率，用中频双靶类似于两个靶交替充当阴极和阳极，阴极在溅射靶的同时，阳极靶表面光洁，因此磁控靶极性周期性变换，产生了“清洁”的效果。

脉冲磁控溅射的主要参数包括溅射电压、脉冲频率和占空比。由于等离子体中的电子比离子更动态，只需要10% ~ 20%的负电压就可以有效地中和目标表面积累的正电荷。确定频率的下限是为了保证目标表面累积电荷形成的场强低于击穿场强的临界值。频率的上限主要由沉积速率决定。一般在保证稳定放电的前提下，尽量选用较低的频率。选择占空比，保证目标表面积累的电荷在正电压阶段完全中和，从而实现电源效率。

最近的发展是在衬底中加入脉冲偏压。脉冲偏压可以改善离子束在衬底上的流动。在磁控溅射中，当直流负偏压一般加到-100 V时，基底离子束饱和。增加负偏置不会增加基底离子束。一般认为饱和电流是离子束电流，电子不能接近衬底表面。结果表明，脉冲偏置不仅可以提高衬底饱和电流，而且随着负偏置的增加，饱和电流也会增加。当脉冲频率增加时，效果更显著。其机制尚不清楚，可能与振荡电场产生的等离子体电离率和较高电子温度的影响有关。衬底脉冲的负偏置为有效控制衬底电流密度提供了一种新方法。该效应可用于优化薄膜的结构和附着力，缩短溅射清洗和基片加热的时间。