HiPIMS长脉冲宽度调控——高导电铜膜&2.27μΩ·cm

点睛

长脉宽（≥200μs）使HiPIMS进入自溅射（SS）阶段，Cu⁺离子密度显著提升。铜膜电阻率从短脉宽的5.51μΩ·cm降至2.27μΩ·cm，接近块体铜1.67μΩ·cm；晶粒尺寸从21nm增至48nm，表面粗糙度降低，结合强度达10MPa。

引言

传统DCMS因功率密度低，溅射粒子电离率低、能量不足，导致铜膜导电性差、结合强度低。HiPIMS虽可实现高峰值功率，但脉冲宽度对放电模式是否进入自溅射SS阶段及膜层性能的影响尚不清晰。长脉冲能否使溅射进入SS阶段，从而提升离子通量并优化铜膜导电性？

解析：

哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院的刘等采用HiPIMS技术，以“Influence of HiPIMS Pulse Widths on the Structure and Properties of Copper Films”为题发表在《Materials》上，其工艺参数如下：

1）基体：Si(100)晶圆、碳化硅陶瓷；2）预处理：酒精超声清洗；3）靶材：Cu靶，直径50.3mm；4）工作气体：Ar，流量100sccm，气压0.5Pa；5）电源参数：电压535V，脉宽30/50/100/200/300μs（对应频率1000/600/300/150/100Hz，保持占空比3%），平均功率180W；DCMS对比样：功率180W；6）基片：室温，沉积时间23-60min，膜厚约900nm。

图1 DCMS与HiPIMS不同脉宽下的靶电流波形

图1a显示：DCMS电流约0.5A（直线）。HiPIMS中，脉宽30μs和50μs时电流呈尖峰状，放电仅依赖Ar⁺，未进入自溅射（SS）阶段。脉宽100μs时，电流升至一峰值后略有下降，但未完全进入平台期。脉宽≥200μs时，电流先升至一峰值，随后下降并进入平稳平台期——这是进入SS阶段的典型标志，此时溅射由Cu⁺自溅射主导，离子通量大幅提升。

图2 DCMS与HiPIMS不同脉宽下的等离子体发射光谱

图2显示了HiPIMS的Cu⁺和Ar⁺信号显著高于DCMS。随着脉宽增加，Cu⁺和Ar⁺发射强度持续上升，尤其是脉宽≥200μs后Cu⁺增幅明显。Cu I 510.55nm相对强度（以300μs为基准）随脉宽增加而增加。这直接证明长脉宽进入SS阶段后，Cu⁺离子密度显著提高，为薄膜生长提供更多高能金属离子。

图3 DCMS与HiPIMS不同脉宽的Cu膜XRD及晶粒尺寸

图3a显示所有铜膜均为多晶，具有(111)择优取向。随脉宽增加，衍射峰强度增大，结晶度提高。图3c中晶粒尺寸：30μs时21nm，50μs时26nm，100μs时33nm，200μs时43nm，300μs时48nm。长脉宽下高离子通量提供充足能量促进晶粒生长。图3d显示残余拉应力：短脉宽时较高（>250MPa），脉宽≥100μs后降至150MPa以下，膜层更致密。

图4 DCMS与不同脉宽的HiPIMS的表面形貌：(a，g) DCMS；(b，h)30μs；(c，j)50μs；(d，f)100μs； (e，k)200μs；(f，i) 300μs

图5 DCMS与不同脉宽的HiPIMS的电阻率

由图4表面SEM观察到DCMS表面颗粒细小且凹凸不平；30-50μs脉宽时颗粒仍小；100μs时颗粒长大；200μs时颗粒开始合并呈长条状；300μs时合并加剧呈枝晶状。图5电阻率对比：DCMS为4.53μΩ·cm；30μs时5.51μΩ·cm；50μs时4.92μΩ·cm；100μs时3.36μΩ·cm；200μs时2.37μΩ·cm；300μs时2.27μΩ·cm。电阻率降低归因于晶粒增大减少晶界散射、表面形貌合并减少界面、致密度提高。

结论与延伸。；

1. HiPIMS铜膜导电性、结合强度和表面粗糙度均优于DCMS，归因于HiPIMS的高峰值功率和高电离率。

2. 脉宽≥200μs时放电进入自溅射（SS）阶段，Cu⁺离子密度大幅提升；短脉宽（≤50μs）仅依赖Ar⁺放电，离子通量低，膜层性能差。

3. 长脉宽优化性能：长脉宽300μs使晶粒尺寸增至48nm、电阻率降至2.27μΩ·cm，接近块体铜1.67μΩ·cm，表面形貌由颗粒状合并为枝晶状，减少界面散射。

论文DOI：10.3390/ma17102342