說實話，我一開始沒太信HiPIMS能把靶材離化率提高這么多，30%聽起來像實驗室的美好幻想。我們那時候用的還是常規(guī)DC和中頻，中規(guī)中矩，成膜速率穩(wěn)定但離子利用率不高，偏置調(diào)得再狠，也就是那樣。直到我們換上高能脈沖那一套——事情開始不一樣了。

我記得最初試的是Ti靶，用的是短脈寬，大概80微秒左右，頻率設(shè)在600Hz，功率不是很高。結(jié)果就一個詞，失望。靶電壓跳得像心電圖一樣不穩(wěn)定，等離子體也看不清楚。后來我們把頻率拉低，降到200Hz，再把脈沖功率加了一檔，大概是常規(guī)DC的3倍，那一刻離化率開始明顯跳升。我們用光譜儀觀測，Ti+的信號幾乎壓過了中性粒子的峰值。

你得把功率堆起來，但不是瞎堆。我們踩過不少坑。比如有一次為了沖高電流密度，我們拉長了脈寬，結(jié)果靶面開始發(fā)熱不均勻，偏中心區(qū)燒蝕特別嚴重。那個靶報廢得很快。那之后我們試著控制峰值功率在一個安全窗內(nèi)，同時讓脈沖夠“尖銳”，讓等離子體能迅速達到高電離態(tài)——離子化主要就靠那一瞬間。你拖太長，反而浪費能量。

還有個關(guān)鍵是磁場結(jié)構(gòu)。當時我們一直用的是傳統(tǒng)封閉式磁場，沒感覺有什么問題。直到我們換成了unbalanced配置，才意識到——之前的束縛太死了。磁場稍微打開一點，讓更多等離子體往靶外溢，就能大幅度提升到達基片的離子通量。這不是書上說的，是我們看著薄膜厚度和成分分析結(jié)果，一點點調(diào)出來的。

一個很小的細節(jié)也很關(guān)鍵——氣壓。很多人調(diào)HiPIMS喜歡在低壓段操作，說是避免碰撞。我們試著在0.8Pa和0.3Pa之間來回切，發(fā)現(xiàn)0.5Pa是個甜點。再低放電不穩(wěn)定，再高離化不明顯。中性粒子和離子粒子的路徑不同，壓強對離子分布的影響遠比想象中要大。

我還得說一點，真空系統(tǒng)的潔凈度有時候比參數(shù)本身更重要。我們那時候一次實驗數(shù)據(jù)很奇怪，離化率突然下滑，怎么調(diào)都回不來。結(jié)果發(fā)現(xiàn)是前一天沒徹底烘完腔體，殘余氣體干擾了放電特性。不是設(shè)備不好，是我們太急了。

總之吧，HiPIMS這東西，魔術(shù)感很強，但魔術(shù)師背后是好幾個燒壞的靶子和不少走錯的參數(shù)路徑。你得敢試，敢放棄一些“習(xí)慣”，才能找出讓離化率飆升30%的那條線。沒有萬能配方，但一定有“適合你那臺設(shè)備”的節(jié)奏。我們就是一點點試出來的。

要說有沒有什么通用建議？可能就一個：別太相信教科書，信你自己的數(shù)據(jù)。

我們?nèi)绾握嬲尠胁碾x化率提升30%

說到底，HiPIMS的核心從來不是“功率堆高”就能解決的。如果你真做過這玩意兒，肯定見過那種離化率高但成膜速率低到離譜的尷尬局面。我們后來意識到，這里面的問題在鞘層的動態(tài)演化上。

一開始，脈沖前幾微秒，靶面電壓快速下降，形成極強的鞘層電場，但這時候并沒有足夠的靶原子參與放電過程。真正的高離化率區(qū)間，發(fā)生在等離子體自維持結(jié)構(gòu)建立之后，大概是脈沖中段，那時候我們觀察到強烈的電離涌現(xiàn)現(xiàn)象。但這個過程是瞬態(tài)的，極難捕捉。如果你當時靶電壓沒有回升、鞘層過寬，你基本等于“電離了空氣”，真正有用的金屬離子產(chǎn)率反而下降。

我們換了一種思路：干預(yù)鞘層結(jié)構(gòu)演化。具體方法是使用雙極性偏置，在主脈沖結(jié)束后立刻接入一個反向低幅負脈沖，持續(xù)幾十微秒。這個小脈沖看似無關(guān)緊要，但它能強行收縮鞘層寬度，并短暫維持一個高密度等離子體區(qū)域，讓剩余未電離的中性靶原子有二次電離的機會。

這操作簡單粗暴，但對Ti-Zr、Cr-Si等靶材特別有效，因為這些材料有高二次電子發(fā)射系數(shù)，容易形成“后期放電放大”。這不是什么論文里講的主流機制，但我們實測了三個月，光譜和薄膜分析全都驗證了離子比例的明顯提高，Ti+信號增幅接近35%。

另一個關(guān)鍵是自磁場效應(yīng)，這點很少有人提。高功率脈沖下，等離子體本身形成的電流環(huán)流在靶面局部制造一個瞬態(tài)磁約束結(jié)構(gòu)，這種自組織的磁泡結(jié)構(gòu)會聚焦靶材離子向軸向噴發(fā)，形成離子束增強區(qū)。我們在高幀率ICCD下拍到過這個過程——靶面出現(xiàn)不對稱輝光閃爍，不規(guī)則但有周期性。

你不能消除這種不穩(wěn)定性，但可以“養(yǎng)著用”。我們做了個實驗，把原本軸對稱磁鐵結(jié)構(gòu)打破，換成了偏心三極結(jié)構(gòu)，這不是為了更均勻，而是故意制造離子密度擾動。結(jié)果居然帶來了靶材離子通量更高的軸向峰值，等離子體沿著那個“磁不對稱區(qū)”瞬間堆積，形成高電離區(qū)。那次成膜速率沒變，但靶材離子/中性比提升了40%以上。

再深一點的是波動調(diào)控。HiPIMS本質(zhì)是非穩(wěn)態(tài)放電系統(tǒng)，你盯著宏觀參數(shù)看不出什么。我們加了一套微波反射率測量系統(tǒng)，追蹤電子密度的瞬態(tài)變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，等離子體密度在脈沖開始到最大電流之間經(jīng)歷一次快速振蕩，我們稱它為“ion breathing mode”，一個近似3~8kHz的周期性密度躍變。這種模式我們懷疑和靶材表面微區(qū)蒸發(fā)速率相關(guān)。調(diào)節(jié)氣體流速和靶材旋轉(zhuǎn)速度后，居然能調(diào)出特定頻率的共振狀態(tài)，這個共振窗口內(nèi)，離化率跳升特別明顯。

這類現(xiàn)象根本不是簡單調(diào)功率能解釋的，也很難復(fù)現(xiàn)，但一旦你能卡到這個節(jié)奏，離子效率甚至可以翻倍。問題是，沒有哪臺HiPIMS系統(tǒng)可以原樣復(fù)制別人家的這個點，它是你設(shè)備的電源響應(yīng)+靶材+腔體電容+磁場結(jié)構(gòu)的綜合結(jié)果。你調(diào)不出來，不代表不存在。

HiPIMS怎么“騙過”晶格失配？聊聊我們怎么調(diào)ZnO長出單一c軸晶向

晶向擇優(yōu)生長，在DC或RF濺射中，很多時候靠的是退火和襯底溫度。但HiPIMS給了我們一個新選項：用離子角動量調(diào)控表面擴散行為。我們不是從能量角度入手，而是從動量分布入手去調(diào)界面結(jié)構(gòu)。

我舉個例子：我們在c-Al?O?（0001）襯底上做ZnO沉積，常規(guī)DC下晶粒亂七八糟，軸向不清晰，但用HiPIMS調(diào)到合適的峰值功率（大概是1.5 kW，脈寬50 µs，頻率100 Hz），ZnO薄膜表現(xiàn)出極強的（002）擇優(yōu)取向，甚至不需要加熱襯底。

怎么回事？這不是單純的“離子能量更高”，而是因為在那一組參數(shù)下，我們測到Zn+離子流具有明顯的軸向偏聚現(xiàn)象。這跟前面講的“磁泡聚焦效應(yīng)”是一個套路——通過等離子體的不穩(wěn)定性制造角度選擇性離子轟擊。這些Zn+帶著高方向性的動量打在襯底上，會優(yōu)先抑制橫向晶粒的生長，同時促進c軸方向的堆垛。

這個機制不是傳統(tǒng)意義上的熱擴散，因為我們那時候襯底是冷的，甚至用水冷保溫，最大溫度不過80°C。那你說靠啥長出那么規(guī)整的柱狀晶粒？答案是：離子流的方向性調(diào)控表面擴散路徑，形成“受限生長”區(qū)——有點像你強行用風(fēng)向控制沙粒堆積結(jié)構(gòu)。

還有一組實驗我們是在玻璃襯底上做Al:ZnO，同樣用HiPIMS，但這次我們刻意使用了低頻（50 Hz）+長脈寬（200 µs）模式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)薄膜晶粒尺寸放大了兩倍，表面粗糙度下降了將近60%。這不是簡單的顆粒融合，而是長脈寬下離子輻照更持久，形成了表面能重構(gòu)——我們用AFM和XRD對比后確認，這種生長過程下，Al進入晶格的方式也變了，不再是隨機取代，而是呈現(xiàn)出優(yōu)先替代c軸第二層Zn位點的趨勢。

這類“選擇性摻雜+擇優(yōu)晶向”的耦合效應(yīng)，是HiPIMS獨有的。DC或RF下你根本沒法保證Al+能按方向性進入晶格，它大多只是形成摻雜點，效果不穩(wěn)定。

我們還試過一個比較極端的配置：在鍍ZnO時施加傾斜電場輔助，讓離子從一個偏離軸向的方向轟擊襯底。結(jié)果薄膜整體生長出了（101）面優(yōu)先生長的結(jié)構(gòu)，晶粒排列發(fā)生了90度旋轉(zhuǎn)。這說明HiPIMS的離子方向性不只是量的問題，而是可以用來“操控晶向的誘導(dǎo)場”。

薄膜電性能背后的離子能譜分布：HiPIMS讓你選“性格”的離子

別的技術(shù)沒法挑離子性格，HiPIMS可以。比如我們在做ITO的時候特別注意In和Sn的離子化比例和能量分布。傳統(tǒng)DC下，Sn很容易蒸發(fā)但In偏愛沉積，所以成膜后Sn/In比總是偏低。HiPIMS我們試著分段功率驅(qū)動：先用一個預(yù)放電高峰打In，然后接入一個功率稍低、脈寬拉長的主放電，這一階段更有利于Sn離子出射。兩階段放電不同的等離子體能譜“分層注入”，讓我們能控制ITO中的Sn含量精確到±1%。

這類控制手段不是“參數(shù)優(yōu)化”，而是類似在做“原子編程”。你得理解每個離子的出射行為和受力方向，再用等離子體波動調(diào)它。HiPIMS本質(zhì)上是個微型粒子加速器，不是傳統(tǒng)意義的蒸發(fā)器。