HiPIMS 高功率脉冲磁控溅射：短促而强烈的功率脉冲产生超高密度等离子体和高度离化的沉积束流，无需高基片温度即可制备致密、坚硬、保形性优异的薄膜。 HiPIMS —— 高功率脉冲磁控溅射，亦称 HPPMS（High Power Pulsed Magnetron Sputtering）—— 是磁控溅射的一种先进形式，通过向阴极输送一连串短促而强烈的功率脉冲工作。
HiPIMS —— 高功率脉冲磁控溅射，亦称 HPPMS（High Power Pulsed Magnetron Sputtering）—— 是磁控溅射的一种先进形式，通过向阴极输送一连串短促而强烈的功率脉冲工作。每个脉冲期间，峰值功率极高 —— 常达千瓦甚至兆瓦级 —— 产生密度极高的等离子体；而低占空比使平均功率和靶材热负荷保持在可控水平。
这种高密度等离子体能使相当大比例的溅射原子自身被电离，将沉积束流从以中性原子为主转变为富含离子的粒子流，从而可以利用电场对其进行导向和加速。由此获得的薄膜具有卓越的致密度、硬度和保形性，并且能够在室温下进行氮化物和氧化物的反应溅射工艺。Angstrom Engineering 将 HiPIMS 与其磁控溅射源、先进夹具配置及 Aeres 工艺控制软件深度集成。
- 千瓦至兆瓦级的脉冲峰值功率产生密度极高的等离子体，而低占空比使平均功率和靶材发热保持在可控水平。
- 相当大比例的溅射原子被电离；当离子数量超过中性原子时，工艺即以离子化物理气相沉积（IPVD）模式运行。
- 离化束流提高了到达粒子的反应活性，显著增强薄膜的致密度和硬度。
- 与以中性粒子为主的常规溅射相比，对高深宽比结构具有更好的保形性和覆盖能力。
- 氮化物和氧化物薄膜可在室温下反应生长 —— 离子能量取代基片加热成为反应活化能来源。
工作原理与工程实现
以下内容整理自 Angstrom Engineering 官方技术资料。
HiPIMS 的工作原理
常规 DC 磁控溅射受限于靶材和磁控管所能耗散的连续功率：单纯提高功率以增加等离子体密度会导致溅射源过热损坏。HiPIMS 通过在时间上集中功率来规避这一热限制。系统向阴极输送一连串短促而强烈的脉冲，每个脉冲期间的峰值功率 —— 常达千瓦或兆瓦级 —— 在靶材前方产生密度极高的等离子体。 由于脉冲时间短、占空比低，时间平均工作功率以及传递到靶材的热量始终保持在溅射源可以从容耗散的水平。因此，该工艺既获得了超高功率放电的优势 —— 高密度等离子体和强电离 —— 硬件又能在与常规磁控管相同的热包络内运行。
离化沉积束流与 IPVD
HiPIMS 高密度等离子体带来的决定性效果是：相当大比例的溅射原子在穿越等离子体时自身被电离。在常规溅射中，沉积束流以中性原子为主，它们沿直线飞行，离开靶材后便无法再加以控制。当离化原子的数量超过中性原子时，该工艺即被归类为离子化物理气相沉积（IPVD）。 离化沉积束流带来若干显著优势：到达粒子的化学反应活性提高、薄膜致密度和硬度增强，以及对高深宽比结构的保形性和覆盖能力明显改善 —— 因为离子可以在静电作用下被引入沟槽和通孔，而直线飞行的中性原子则无法到达这些位置。
室温反应工艺
离化束流携带的额外能量使反应工艺成为可能：溅射离子可与通入腔体的气体 —— 通常为氮气或氧气 —— 直接反应，而无需高基片温度。传统上，要反应沉积高质量的氮化物和氧化物薄膜，往往依赖较高的基片温度来驱动成膜反应并使涂层致密化。 HiPIMS 通过离子本身而非基片加热来提供这一活化能，从而实现高得多的产能，并将工艺兼容性扩展到更多应用场景，包括无法承受高温反应工艺的温度敏感基片和器件叠层。
离子束流的定向控制：基片偏压与双极 HiPIMS
由于 HiPIMS 沉积束流的很大部分已被离化，其方向性和能量都可以被主动调控 —— 这是以中性粒子为主的常规溅射所不具备的薄膜调控自由度。Angstrom 提供两种互补的实现方式。 第一种是在基片端施加 RF 等离子体偏压。向基片夹具施加 RF 功率会建立净负自偏压，将离化的靶材粒子吸引并加速注入正在生长的薄膜。这种生长过程中的离子轰击可以制备出异常致密、坚硬的薄膜。 第二种是双极 HiPIMS（Bipolar HiPIMS）。在负溅射脉冲之后，向阴极本身施加正偏压脉冲：不再是基片将离子“拉”过来，而是靶材将离子“推”出去 —— 通过排斥式“推送”机制将离子加速射向基片。这两种技术都使工艺工程师能够直接控制到达离子的能量和方向性。
已验证的材料与薄膜
HiPIMS 在 Angstrom 系统上已在多种高要求薄膜类型中得到成功验证，包括：室温沉积的氮化物和氧化物薄膜；面向超导应用的铌基氮化物（如 NbN）；氮化钛（TiN）涂层；铬（Cr）硬质涂层；以及类金刚石碳（DLC）涂层。在每一种应用中，高度离化的束流都提供了该应用所需的致密度、硬度或低温反应活性。
在 Angstrom 平台上的集成
HiPIMS 作为 Angstrom Engineering 磁控溅射源的一种电源配置选项提供，并与其先进夹具配置兼容，包括用于离子辅助生长的 RF 偏压基片夹具。所有 HiPIMS 工艺均由 Angstrom 的先进工艺控制软件 Aeres 管理，该软件专为高性能沉积配置了独有的功能与能力。有关磁控溅射基础技术以及相关的 RF、DC、脉冲 DC 和反应气体溅射模式，请参阅“磁控溅射沉积”页面。
技术优势
- 千瓦至兆瓦级的脉冲峰值功率产生密度极高的等离子体，而低占空比使平均功率和靶材发热保持在可控水平。
- 相当大比例的溅射原子被电离；当离子数量超过中性原子时，工艺即以离子化物理气相沉积（IPVD）模式运行。
- 离化束流提高了到达粒子的反应活性，显著增强薄膜的致密度和硬度。
- 与以中性粒子为主的常规溅射相比，对高深宽比结构具有更好的保形性和覆盖能力。
- 氮化物和氧化物薄膜可在室温下反应生长 —— 离子能量取代基片加热成为反应活化能来源。
- 室温工艺带来高得多的产能，并兼容温度敏感的基片与工艺。
- 可通过基片 RF 偏压调节离子能量和方向性，将离子拉入薄膜，制备异常致密坚硬的涂层。
- 双极 HiPIMS 在阴极上叠加正偏压脉冲，将离子“推”向基片，为离化羽流的定向控制提供了第二种互补手段。
- 与 Angstrom 磁控溅射源、先进夹具及 Aeres 工艺控制软件全面集成。
系统与工艺细节
