斩波双极HiPIMS增强绝缘表面能量通量——中电容下能量通量提升20%

点睛：

斩波双极HiPIMS（5[N+6P]）通过多个短正脉冲替代单个长正脉冲，在中等表面电容（10nF）下使能量通量比5[N]配置提升20%。斩波单极HiPIMS（5[N]）相比标准HiPIMS（[N]）能量通量提升50%，沉积速率提升20%。表面电容是决定双极HiPIMS有效性的关键参数。

引言：

双极HiPIMS通过在负脉冲后施加正脉冲提升等离子体电位，有望在不依赖基片偏压的情况下加速离子。然而，对于绝缘表面，离子撞击导致表面迅速充电至浮电位，电位差消失，离子加速的效果极为短暂。能否通过将正脉冲“斩波”成多个短脉冲，在脉冲关断期间让表面放电，从而维持持续的离子加速？本文系统研究了六种脉冲配置（单极、双极、斩波单极、斩波双极等）在不同表面电容条件下的能量通量，揭示了斩波双极HiPIMS在中等电容下的显著优势。

解析：

捷克西波西米亚大学物理系Farahani等采用HiPIMS技术，以“On unipolar and bipolar HiPIMS pulse configurations to enhance energy flux to insulating surfaces”为题发表在《Plasma Sources Science and Technology》上，其实验参数如下：

1）靶材：Ti靶；2）工作气体：Ar气，气压1Pa；3）电源参数：负脉冲平均功率500W恒定，正脉冲电压100V，重复频率100Hz；六种脉冲配置：（1）[N]标准HiPIMS（单负脉冲），（2）[N+P]标准双极HiPIMS（负脉冲+单正脉冲），（3）5[N]斩波HiPIMS（5个连续负脉冲），（4）5[N+P]（5个负脉冲各接1个正脉冲），（5）5[N+6P]（5个负脉冲各接6个短正脉冲），（6）5[N+12P]（5个负脉冲各接12个短正脉冲），正脉冲总时长在各配置中保持恒定；4）电容条件：浮空、1 nF、10 nF、100 nF外接电容、二极管接地、直接接地。

图1 六种脉冲配置下的探针浮电位、靶电压和靶电流波形

图1展示了六种脉冲配置的时序波形。标准双极HiPIMS [N+P]中，正脉冲开始时探针浮电位迅速上升至接近靶电压100 V，但离子撞击使探针在极短时间内（约几微秒）充电至浮电位，电位差消失，离子加速仅发生在正脉冲初期。斩波双极配置5[N+6P]和5[N+12P]中，每个短正脉冲（约几微秒）后跟随关断期（约4μs），探针在关断期间通过电子中和放电。由于探针及其导线本身电容极低（约200 pF），浮空时探针电位几乎瞬间跟随靶电压变化。斩波正脉冲为绝缘表面提供了反复充放电的机会，使离子在多个短脉冲期间持续获得加速。

图2 不同电容条件下探针浮电位与靶电压波形

图2展示了不同外接电容对探针充电行为的影响。浮空和1 nF电容：探针电位迅速上升至接近靶电压，充电时间极短小于5 μs，离子加速窗口极窄。10 nF电容：在[N+P]配置中，探针达到稳定电位比无电容时延迟约10 μs；在5[N+6P]和5[N+12P]配置中，由于正脉冲极短，探针电位始终无法接近靶电压，平均电位差显著增大。100 nF电容：探针充电极慢约100 μs，即使长正脉冲也能维持显著电位差；斩波双极配置进一步使探针电位接近地电位。充电时间τ ≈ C·Urev/(J·As)，当正脉冲长度小于τ时，离子加速有效。

图3 不同脉冲配置和电容条件下的归一化能量通量

图3是本文核心的结果。浮空（电容极低）：[N]与[N+P]能量通量无显著差异（探针快速充电使正脉冲无效）；5[N]比[N]提升约50%，但增加正脉冲（5[N+P]、5[N+6P]、5[N+12P]）无额外增益。1 nF电容：5[N+6P]和5[N+12P]比5[N]略有提升。10 nF电容：5[N+6P]和5[N+12P]比5[N]和5[N+P]显著提升约20%，且两配置间无显著差异，正脉冲总时长相同。100 nF电容：[N+P]比[N]有显著提升，长正脉冲有效；5[N+P]比5[N]大幅提升；5[N+6P]和5[N+12P]与5[N+P]相当，斩波无额外优势。

结论与延伸。；

1. 低电容（<1 nF，如薄绝缘膜或绝缘基片）时，表面迅速充电，双极正脉冲无法有效增加能量通量；高电容（100 nF）时，长正脉冲有效；中等电容（约10 nF）时，斩波双极HiPIMS（5[N+6P]或5[N+12P]）能量通量比5[N]提升约20%。

2. 5[N]配置相比标准HiPIMS [N]，能量通量提升约50%，沉积速率提升约20%，从20.4增至25 nm/min，归因于多个短脉冲降低了离子回吸和气体稀薄化，提高了到达基片的离子比例。

3. 对于中等电容的绝缘表面，如导电基体上沉积的数百纳米厚绝缘膜，斩波正脉冲可在关断期间使表面放电，维持持续的离子加速；正脉冲长度应小于表面充电时间常数τ ≈ C·Urev/(J·As)。

论文DOI：10.1088/1361-6595/adbdef.