同步浮动电位HiPIMS技术实现绝缘基底低温沉积功能薄膜的突破性进展

针对绝缘基底上难以施加负偏压导致离子加速困难的问题，研究人员开发出同步浮动电位高功率脉冲磁控溅射(SFP-HiPIMS)技术。该技术通过精确调控脉冲时序，利用基底瞬态负浮动电位选择性加速金属离子(如Sc+)，在100°C低温下成功制备出高结晶度Al0.88Sc0.12N薄膜，解决了传统RF偏压导致的Ar+离子损伤问题，为MEMS和5G/6G器件制造提供了新方案。

　　

在物联网和人工智能技术快速发展的今天，微机电系统(MEMS)和5G/6G通信器件对高性能压电薄膜的需求日益增长。氮化铝钪(AlScN)因其优异的压电和铁电性能成为理想材料，但传统沉积技术面临两大难题：一是绝缘基底上难以施加负偏压实现离子加速，二是常规射频(RF)偏压会导致高能氩离子(Ar⁺)轰击，造成薄膜缺陷和残余应力。这些问题严重制约了低温条件下高质量功能薄膜的制备，阻碍了温度敏感器件的发展。

瑞士联邦材料科学与技术研究所(Empa)的Jyotish Patidar团队在《Nature Communications》发表创新性研究，提出同步浮动电位高功率脉冲磁控溅射(SFP-HiPIMS)技术。该技术巧妙利用HiPIMS脉冲期间基底产生的瞬态负浮动电位(-35V)，通过精确控制铝靶和钪靶的脉冲时序，使Sc⁺离子到达基底时恰好遇到由后续Al脉冲诱导的负电位，实现选择性离子加速。研究采用三靶共溅射系统(2个Al靶+1个Sc靶)，在5μbar压力、100°C条件下沉积Al_0.88Sc_0.12N薄膜，通过时间飞行质谱(ToF)精确测定离子到达时间，结合基底浮动电位实时监测实现脉冲同步。

研究结果显示，当脉冲偏移时间t_offset=16μs时(模式III)，Sc⁺离子加速效果最佳：(1)X射线衍射(XRD)显示(002)晶面摇摆曲线半高宽(FWHM)显著降低，表明结晶质量提高；(2)透射电镜(TEM)观察到致密无柱状空隙的微观结构，选区电子衍射(SAED)证实c面蓝宝石上实现外延生长，具有AlScN[001]//Al₂O₃[001]的取向关系；(3)残余应力从850MPa(未同步)降至接近零值；(4)卢瑟福背散射谱(RBS)证实Ar含量低于检测限，而RF偏压样品含0.8-1.2at.%Ar。相比之下，传统RF偏压虽能改善织构但引入60eV高能Ar⁺轰击，远超AlN晶格位移阈值(约20eV)。

该技术的创新性体现在三个方面：首先，利用HiPIMS固有的瞬态等离子体特性产生浮动电位，无需外部偏压装置；其次，通过多靶脉冲时序调控实现"自加速"效应，Sc⁺离子能量控制在50eV以下，既能增强adatoms迁移率又避免晶格损伤；最后，该方法可直接集成到标准溅射设备，具有良好普适性。研究团队已就该技术申请专利(EP24163606)，涵盖利用瞬态浮动电位加速成膜离子的核心概念。

这项研究解决了物理气相沉积(PVD)领域长期存在的绝缘基底离子加速难题，为低温制备高质量功能薄膜开辟了新途径。其意义不仅限于AlScN体系，更为光学涂层、半导体薄膜等缺陷敏感材料的沉积提供了通用解决方案。特别是在柔性电子、生物医学器件等温度敏感应用中，SFP-HiPIMS技术有望推动新一代低能耗、高性能器件的开发，助力可持续制造技术的发展。随着物联网和人工智能革命的推进，这种低温沉积技术将在集成化、多功能化器件制造中发挥越来越重要的作用。