单磁控管上HiPIMS与射频叠加：高离子能量的产生

点睛：

将HiPIMS与RF（13.56 MHz）叠加于同一铜靶磁控管，RF使等离子体电位升高约50 V，Cu⁺离子能量从HiPIMS的约6 eV提升至约76 eV，Cu膜由柱状多孔转变为致密细晶结构。

引言：

HiPIMS技术因高离化率而能制备致密、高结合力的薄膜，但HiPIMS中等离子体电位通常较低，仅数eV，限制了离子到达基底时的能量。传统上通过施加负基底偏压来加速离子，但对于介电薄膜或绝缘基底，直流偏压难以实施。双极性HiPIMS虽可通过正反向脉冲提升等离子体电位，但其调控范围有限。射频（RF）放电的等离子体电位通常远高于直流放电，本研究创新性地将HiPIMS与RF叠加于同一磁控管上，探索利用RF抬高等离子体电位、进而加速HiPIMS产生的金属离子到达基底的新策略，并系统研究了该叠加放电的等离子体特性与薄膜沉积效果。

解析：

德国基尔大学实验与应用物理研究所的Caroline Adam等采用HiPIMS与RF叠加技术，在单磁控管上研究了RF叠加对HiPIMS等离子体特性及铜薄膜沉积的影响，以“Superposition of HiPIMS with RF on a single magnetron: Generation of high ion energies”为题发表在《Surface & Coatings Technology》上，其工艺参数如下：

1）磁控管为2英寸非平衡磁控管，配备铜靶（厚8 mm），靶面轴向磁场约50 mT（靶心），横向磁场约45 mT（跑道位置）；2）工作气体：氩气，工作气压：1.2-5 Pa；3）HiPIMS参数：脉宽50 μs，占空比≈2%；4）RF经匹配网络叠加于同一磁控管，HiPIMS与RF不同步；5）薄膜沉积于硅基底上，基底位于接地样品台，距靶约5–6 cm；6）沉积时间依功率不同而异，铜膜厚度由轮廓仪测量；7）为防RF串扰HiPIMS电源，两者间插入低通滤波器（截止频率≈0.9 MHz）。

图1 放电电压与电流波形

图1展示了纯HiPIMS与HiPIMS/RF叠加的放电电压和电流波形。纯HiPIMS中（图1a,b），电压脉冲清晰，峰值约–1 kV，电流在脉冲期间随电压变化。叠加RF后（图1c,d），电压信号在整个HiPIMS周期均叠加了13.56 MHz的高频振荡，RF的加入使HiPIMS脉冲关断期间的DC偏压维持在约-100 V，取决于RF功率。纯HiPIMS在1.2 Pa低气压下因起辉电压不足（>1 kV）无法点火，而HiPIMS/RF叠加因RF等离子体的预电离作用成功实现点火和放电。

图2 时间分辨发射光谱

图2显示了HiPIMS脉冲期间和关断期间Cu I和Ar I发射线的时间演化。HiPIMS脉冲期间（0–50 μs），等离子体以Cu I线为主，几乎无Ar发射，因气体稀薄效应降低了靶前中性Ar密度；脉冲关断期间（50–2450 μs），Ar I线（750.39 nm）成为强发射，同时Cu I线持续存在。这说明HiPIMS脉冲产生的高密度铜等离子体在关断期间缓慢向基底扩散，扩散时间数百μs至ms量级，而RF等离子体在关断期间提供持续的Ar⁺轰击，二者在时间上互补。

图3 离子能量分布

图3显示了Cu⁺和Ar⁺在HiPIMS、RF和叠加等离子体中的离子能量分布。纯HiPIMS中Cu⁺在约6 eV处有一峰，Sigmund-Thompson分布，另在70–100 eV处有一小峰，可能源于等离子体电位振荡或放电电压中的短时振荡；纯RF中Cu⁺的高能峰随RF功率从5 W增至50 W从20 eV移至85 eV；HiPIMS/RF叠加（100 W+40 W）中，Cu⁺的IED同时呈现HiPIMS的低能特征和RF的高能峰（约76 eV），且计数率远高于纯RF。Ar⁺在RF中呈现从0到能量的连续分布，源于鞘层中共振电荷交换碰撞。

图4 薄膜截面SEM

图4展示了HiPIMS、RF和叠加工艺沉积的Cu薄膜表面及截面SEM图像。RF沉积的Cu膜呈多孔柱状结构，表面有数百纳米团聚物；HiPIMS沉积的Cu膜致密得多；HiPIMS/RF叠加沉积的Cu膜同样致密且晶粒尺寸大于纯HiPIMS。归一化能量通量计算显示：RF为152 eV/atom，HiPIMS仅67 eV/atom，但RF的高能量通量主要来自非成膜粒子（Ar⁺）的轰击和再溅射，反而导致多孔结构。

结论与延伸：

1. RF叠加使HiPIMS脉冲关断期间等离子体电位提升约50 V，Cu⁺离子能量从约6 eV升至约76 eV，实现了“HiPIMS产离子、RF加速离子”的协同效应。

2. HiPIMS脉冲期间以Cu⁺为主，关断期间RF以Ar⁺为主。RF预电离使HiPIMS在1.2 Pa低气压下成功点火，纯HiPIMS无法起辉，拓宽了工作气压窗口。

3. HiPIMS/RF叠加无需施加基底偏压，仅通过抬高等离子体电位即可控制离子能量，有望应用于氧化物、氮化物的反应性溅射，并通过调控RF功率实现离子能量的连续可调。

DOI:10.1016/j.surfcoat.2025.133060.