HiPIMS中热化离子抑制原子阴影效应

HiPIMS中热化离子抑制原子阴影效应

点睛

DOMS（HiPIMS的一种变体）中热化Cr⁺离子在基片鞘层中被加速至近垂直入射，从根本上去除了高角度粒子（>60°）引发的阴影效应，无需高能轰击。利用DOMS在1.0Pa高气压下制备出比DCMS在0.2Pa低气压下更致密的Cr薄膜，粗糙度更低，硬度更高。

引言

传统直流磁控溅射制备的Cr薄膜因原子阴影效应，易形成粗糙表面和疏松柱状结构，尤其在低温低迁移率条件下更为显著。传统抑制方法（如降低气压、施加偏压）虽有效果，但常伴随内应力升高或沉积速率下降。HiPIMS技术通过电离溅射粒子，能否从调控离子入射方向这一源头抑制阴影效应呢？

解析：

葡萄牙科英布拉大学机械工程系的Oliveira等人采用DCMS和DOMS两种工艺制备了Cr薄膜，以"Reduced atomic shadowing in HiPIMS: role of the thermalized metal ions"为题发表在《Applied Surface Science》上，其工艺参数如下：

1）基体：硅片（100）；2）预处理：丙酮+乙醇超声清洗；3）沉积工艺：靶材：纯Cr靶，尺寸150mm×150mm×10mm。工作气体：Ar。工作气压：DCMS为0.2Pa，DOMS为1.0Pa；电源参数（DCMS）：电压427V，电流2.9A，功率1.24kW，功率密度1.3W/cm²，电源参数（DOMS）：峰值电压899V，峰值电流56A，峰值功率密度1.27kW/cm²，平均功率1.2kW；4）沉积过程：基体以23.5rpm的速度旋转，靶基距为80mm。

图1 (a)DCMS和(b)DOMS等离子体中Ar+、Ar2+、Cr+、Cr2+的离子能量分布函数

图1对比了DCMS（0.2Pa）和DOMS（1.0Pa）等离子体中的离子能量分布。在DCMS中，Ar+占据主导地位，约占离子总通量的94%，Cr+信号极其微弱（图中乘以10倍才能显示）。这表明DCMS中轰击基片的离子主要是惰性气体离子，金属离子贡献极小。而在DOMS中，Cr+成为主导离子，约占离子总通量的66%，Ar+仅占约30%。这一数据直接证明DOMS技术显著提高了溅射金属的电离度。此外，DCMS中Cr+的能量分布以低能热化峰为主，高能成分较少，而DOMS中Cr+的高能成分比例更高。

图2 Cr粒子入射角度分布模拟：(a)中性粒子，(b)Cr+离子

图2a显示Cr中性粒子的入射角度分布：DCMS低气压0.2Pa下，粒子以弹道输运为主，入射角度集中在12°-45°；而DOMS高气压1.0Pa下，由于碰撞增加，粒子角度分布显著展宽，出现大量高角度（>60°）成分——这正是引发阴影效应的主要来源。图2b显示Cr⁺离子在基片鞘层中加速后的入射角度分布：无论初始角度如何，所有Cr+离子在加速后，入射角度都被压缩到50°以内。特别是在1.0Pa条件下，热化Cr+离子几乎全部被压缩到10°以内，形成尖锐的近垂直入射峰。这直接证明离子在鞘层电场中被拉向垂直方向，去除了高角度粒子对阴影效应的影响。

结论与延伸

1. DOMS工艺通过提高溅射粒子的电离度，使Cr+离子在基片鞘层中被加速至近垂直入射，从根本上抑制了原子阴影效应，无需依赖高能粒子轰击。

2. 在1.0Pa高气压下，DOMS制备的Cr薄膜粗糙度低于DCMS在0.2Pa低气压下的薄膜，硬度相当，弹性模量更接近块体Cr，能够实现高气压下的致密化沉积。

论文DOI：10.1016/j.apsusc.2017.10.133