HiPIMS中熱化離子抑制原子陰影效應(yīng)

HiPIMS中熱化離子抑制原子陰影效應(yīng)

點(diǎn)睛

DOMS（HiPIMS的一種變體）中熱化Cr⁺離子在基片鞘層中被加速至近垂直入射，從根本上去除了高角度粒子（>60°）引發(fā)的陰影效應(yīng)，無(wú)需高能轟擊。利用DOMS在1.0Pa高氣壓下制備出比DCMS在0.2Pa低氣壓下更致密的Cr薄膜，粗糙度更低，硬度更高。

引言

傳統(tǒng)直流磁控濺射制備的Cr薄膜因原子陰影效應(yīng)，易形成粗糙表面和疏松柱狀結(jié)構(gòu)，尤其在低溫低遷移率條件下更為顯著。傳統(tǒng)抑制方法（如降低氣壓、施加偏壓）雖有效果，但常伴隨內(nèi)應(yīng)力升高或沉積速率下降。HiPIMS技術(shù)通過(guò)電離濺射粒子，能否從調(diào)控離子入射方向這一源頭抑制陰影效應(yīng)呢？

解析：

葡萄牙科英布拉大學(xué)機(jī)械工程系的Oliveira等人采用DCMS和DOMS兩種工藝制備了Cr薄膜，以"Reduced atomic shadowing in HiPIMS: role of the thermalized metal ions"為題發(fā)表在《Applied Surface Science》上，其工藝參數(shù)如下：

1）基體：硅片（100）；2）預(yù)處理：丙酮+乙醇超聲清洗；3）沉積工藝：靶材：純Cr靶，尺寸150mm×150mm×10mm。工作氣體：Ar。工作氣壓：DCMS為0.2Pa，DOMS為1.0Pa；電源參數(shù)（DCMS）：電壓427V，電流2.9A，功率1.24kW，功率密度1.3W/cm2，電源參數(shù)（DOMS）：峰值電壓899V，峰值電流56A，峰值功率密度1.27kW/cm2，平均功率1.2kW；4）沉積過(guò)程：基體以23.5rpm的速度旋轉(zhuǎn)，靶基距為80mm。

圖1 (a)DCMS和(b)DOMS等離子體中Ar+、Ar2+、Cr+、Cr2+的離子能量分布函數(shù)

圖1對(duì)比了DCMS（0.2Pa）和DOMS（1.0Pa）等離子體中的離子能量分布。在DCMS中，Ar+占據(jù)主導(dǎo)地位，約占離子總通量的94%，Cr+信號(hào)極其微弱（圖中乘以10倍才能顯示）。這表明DCMS中轟擊基片的離子主要是惰性氣體離子，金屬離子貢獻(xiàn)極小。而在DOMS中，Cr+成為主導(dǎo)離子，約占離子總通量的66%，Ar+僅占約30%。這一數(shù)據(jù)直接證明DOMS技術(shù)顯著提高了濺射金屬的電離度。此外，DCMS中Cr+的能量分布以低能熱化峰為主，高能成分較少，而DOMS中Cr+的高能成分比例更高。

圖2 Cr粒子入射角度分布模擬：(a)中性粒子，(b)Cr+離子

圖2a顯示Cr中性粒子的入射角度分布：DCMS低氣壓0.2Pa下，粒子以彈道輸運(yùn)為主，入射角度集中在12°-45°；而DOMS高氣壓1.0Pa下，由于碰撞增加，粒子角度分布顯著展寬，出現(xiàn)大量高角度（>60°）成分——這正是引發(fā)陰影效應(yīng)的主要來(lái)源。圖2b顯示Cr?離子在基片鞘層中加速后的入射角度分布：無(wú)論初始角度如何，所有Cr+離子在加速后，入射角度都被壓縮到50°以?xún)?nèi)。特別是在1.0Pa條件下，熱化Cr+離子幾乎全部被壓縮到10°以?xún)?nèi)，形成尖銳的近垂直入射峰。這直接證明離子在鞘層電場(chǎng)中被拉向垂直方向，去除了高角度粒子對(duì)陰影效應(yīng)的影響。

結(jié)論與延伸

1. DOMS工藝通過(guò)提高濺射粒子的電離度，使Cr+離子在基片鞘層中被加速至近垂直入射，從根本上抑制了原子陰影效應(yīng)，無(wú)需依賴(lài)高能粒子轟擊。

2. 在1.0Pa高氣壓下，DOMS制備的Cr薄膜粗糙度低于DCMS在0.2Pa低氣壓下的薄膜，硬度相當(dāng)，彈性模量更接近塊體Cr，能夠?qū)崿F(xiàn)高氣壓下的致密化沉積。

論文DOI：10.1016/j.apsusc.2017.10.133