同步浮置电位HiPIMS工艺&实现薄膜在绝缘基底上的低温沉积

点睛

100°C下，SFP-HiPIMS通过16µs延迟同步，利用Al脉冲诱导的-35V浮动电位，选择性加速Sc+，规避>60eV的Ar+轰击。AlScN应力从550MPa调至近0，并实现蓝宝石上的单晶外延。

引言

离子化物理“气相沉积”技术能显著提升薄膜质量，但传统方法（如施加负偏压）在绝缘基底上难以实现，而射频偏压会不可避免地引入高能工艺气体离子（如Ar⁺）的轰击，导致薄膜缺陷与有害应力。那如何在无法施加外部电场的绝缘或悬浮基底上，利用离子辅助获得高质量、低缺陷的薄膜呢？

解析：

瑞士联邦材料科学与技术实验室的Jyotish Patidar等人采用脉冲同步的浮动电位调控，实现绝缘基底上AlScN薄膜的低温外延生长与性能优化。以“Low temperature deposition of functional thin films on insulating substrates enabled by selective ion acceleration using synchronized floating potential HiPIMS”为题发表在《Nature Communications》上，其工艺参数如下：

1）基体：Si、蓝宝石和硼硅玻璃；2）沉积工艺：靶材：Al靶和Sc靶，2英寸。工作气体：Ar和N₂，流量比20/12sccm，工作气压：0.5pa；沉积温度：100°C。脉冲时序控制：使用Ionautics同步单元，准确调控Sc靶与Al靶的HiPIMS脉冲之间的延迟时间（0,11,16,21µs），这是SFP-HiPIMS技术的核心。基底状态：基底电学悬浮，不施加任何外部偏压，完全依赖自身产生的浮动电位。

图1 用于加速离子的浮动基底电位

图1A展示了单磁控管溅射室内的电势分布：阴极（靶材）、电浮置衬底和接地阳极（腔体）。由于电子迁移率更高，绝缘衬底会形成负浮置电位(UF)，与等离子体电位(UP)的差值(UP-UF)加速正离子穿过鞘层射向衬底。图1B则阐释了SFP-HiPIMS核心原理：通过准确控制双磁控管的脉冲时序，让一个靶材（如Al）脉冲产生的瞬态负浮置电位，加速另一个靶材（如Sc）脉冲产生并适时抵达的金属离子，从而实现选择性离子轰击。

图2：脉冲时序、离子飞行时间与基底浮动电位的同步测量

图2对比了四种脉冲同步模式（I-IV），并同时展示了Sc和Al靶的放电电流、Ar+/Sc+离子的飞行时间曲线以及基底浮动电位的变化。在模式III（延迟16µs）下，数据清晰显示：Sc+离子的通量峰值与Al脉冲诱导的基底负电位峰值（约-35V）在时间轴上高度重合。相反，Ar+离子的通量峰值出现得更早，基本错过了电位的MAX加速期。这一数据以微秒级精度证明，通过16µs的延迟设计，可以精准地“捕获”并加速成膜的Sc+离子，同时MAX 限度地“避开”有害的Ar+离子，从根源上实现了离子种类的选择性。

图3：透射电子显微镜下的微观结构演变

图3中常规模式I的薄膜（图3A）呈现出明显的垂直柱状间隙和开放晶界，结构疏松。而SFP-HiPIMS模式III的薄膜（图3B）则表现出高度致密、无孔隙的柱状晶结构。再看选区电子衍射图模式I样品为典型的多晶衍射环（图3C），表明晶粒取向随机；模式III样品则呈现出清晰的单晶衍射斑点图案（图3）。从图3E的高分辨TEM图像及其傅里叶变换中观察到AlScN薄膜与蓝宝石基底之间形成了清晰的原子级外延界面，具有明确的晶体学位向关系AlScN[001]//Al2O3[001]。这些结果证明了在仅100°C的低温下，SFP-HiPIMS成功实现了高质量的异质外延生长。

结论与延伸

1. 利用绝缘基底在HiPIMS中自生的瞬态负电位，通过脉冲时序同步，实现对Sc+等成膜离子的选择性加速（~35eV），同时规避Ar+的有害轰击。

2. 该原理普适于各类HiPIMS材料体系，为在绝缘基底上制备压电、铁电、光学等高性能薄膜开辟了新途径。