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1、高功率脉冲磁控溅射技术的特点及其研究 班级：机械工程学院材料1301班 学号： 程乾坤 摘要：本论文主要介绍高功率脉冲磁控溅射技术的主要特点以及目前的研究状况与未来的开展方向。简介该技术到目前为止世界范围内的进展与开展历程，作者对该技术到目前为止的开展分析以及对该技术所作的一些想法。 关键词：高功率磁控脉冲、离化率、薄膜性能 一、高功率脉冲磁控溅射技术的介绍 磁控溅射HIPIMS是在溅射的根底上，运用靶板材料自身的电场与磁场的相互电磁交互作用，在靶板附近添加磁场，使得二次电离出更多的离子，增加溅射效率。这种技术应用于材料镀膜。其中高功率脉冲磁控溅射high-power impulse magn
2、etron sputtering (HiPIMS)或high-power pulsed magnetron sputtering (HPPMS)近来使用较为普遍。 磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子与新的电子；新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶外表，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场与磁场作用，产生E电场B磁场所指的方向漂移，简称EB漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。假设为环形磁场，那么电子就以近似摆线形式在靶外表做圆周运动，它们的运
3、动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶外表的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar 来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶外表，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。 磁控溅射是入射粒子与靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，与靶原子碰撞，把局部动量传给靶原子，此靶原子又与其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中某些外表附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。 高功率磁控溅射是著名已故俄罗斯科学家Vladimir Kouzentsov开发并且拥有专利
4、的一种脉冲物理气象沉积PVD的方法。它的主要特点是离化率高，堆积致密，镀膜性能好。高功率，顾名思义，是用非常高的电压产生的脉冲撞击靶材外表而使得靶材离化率大幅增加的技术，但是发射高功率脉冲是对电极的一个考验，所以，这种高功率的发射不是连续的，而是在电极的可承受范围内断续而高频的发射，这种方法既增加了靶材的离化率，又相对延长了电极的使用寿命。由于击中基体的带正电荷的粒子能量与方向均受到施加于基体的负电压偏压的有利影响，因此，高的靶材金属离化率相对于传统方法，使涂层构造与特点上得到了改良。 二、截止目前的开展及研究 1999年，瑞典的V,Kouznetsov及其团队1 赛利涂层公司，HIPIMS高
5、功率磁控脉冲技术，工具技术2021-08-10 2 Kouznetsov V，Macak,Schneider J M.A novel pulsed magnetron sputter technique utilizing very high target power densities J.Surface and Coatings Technology 1999,(122):290-293. 首次采用高功率磁控脉冲作为磁控溅射的供电模式，提出了HPPMS的方法，并沉积了Cu薄膜，相对于普通的直流溅射，HPPMS获得高的CU离化率，膜层高致密度，高的靶材利用率，均匀的厚度3 吴忠振等，高功率脉
6、冲磁控溅射的技术开展与研究，真空，2021年5月第46卷第三期，19-22, 。这时有很多做磁控溅射研究的学者开场关注这一研究方向，并且在试验中将这种设备逐渐完善。其中主要包括改良磁控放电的稳定性与改变脉冲构造增加沉积率两个方面。 高功率脉冲磁控溅射技术(HPPMS)由于能够产生较高的离化率而受到人们的重视。为了提高离化率/沉积速率协同效应,基于直流与脉冲耦合叠加技术我们研制了高功率密度复合脉冲磁控溅射电源,并对高功率复合脉冲磁控溅射放电特性进展研究。结果说明脉冲峰值电流随脉冲电压的增加而增加,但随着脉冲宽度的增加而减小。在高功率脉冲期间工件上获得的电流可以增加一个数量级以上,说明磁控离化率得
7、到显著增强。4 李小婵 ;柯培玲;刘新才;汪爱英； 复合高功率脉冲磁控溅射Ti的放电特性及薄膜制备，金属学报 2021年第50卷第7期 879-885页,共7页 5 牟宗信；贾莉；牟晓东；董闯；直流诱导的高功率脉冲非平衡磁控溅射J,中国科技论文在线精品论文2021，314：1506-1510 此外，国内的一些学者研究出了复合高功率脉冲磁控溅射，采用高功率脉冲磁控溅射与直流磁控溅射并联的复合高功率脉冲磁控溅射技术,研究直流磁控溅射局部耦合直流电流变化对Ti靶在Ar气氛中放电及等离子体特性的影响.采用外表轮廓仪、扫描探针显微镜、X射线衍射与纳米压痕仪对Ti薄膜厚度、构造特征以及力学性能进展表征.结
8、果说明：耦合直流电流增加,靶平均功率增加,脉冲作用期间靶电流降低,等离子体电子密度增加;在耦合直流电流为2.0A时,等离子体电子密度与电子温度获得较大值,分别为2.98 V与0.93 eV;耦合直流电流增加,Ti薄膜沉积速率近似线性增加,粗糙度增加,硬度与弹性模量略有降低;一样靶平均功率时,采用复合高功率脉冲磁控溅射技术制备Ti薄膜与采用传统直流磁控溅射技术相比,沉积速率相当;靶平均功率650W时复合高功率脉冲磁控溅射所制Ti薄膜比传统直流磁控溅射所制Ti薄膜更加光滑,平均粗糙度降低1.32 nm,力学性能更加优异,硬度提高2.68GPa.6J.A.Thornton.Magnetronsput
9、tering:basicphysicsandapplicationtocylindricalmagnetrons.1978J.Vac.Sci.Technol.A15(2):171-177 在HPPMS的放电方式研究方面，大连理工大学的三束材料改性实验室的直流诱导高功率脉冲非平衡磁控溅射7 RossnagelSM.InducedDriftCurrentsinCircularPlanarMagnetronsJ.Vac.Sci.Tchnol.A5(1),Jan/Feb1987 8MuZX,LiGQ,CheDL,etal,Studiesofthedischargepropertiesofunbalan
10、cedmagnetronsputteringsystem.SurfaceandcoatingsThecnol.,2005,193:46-49 9MuZX,LiGQ,QinFW,Themodelofthemagneticmirroreffectintheunbalancedmagnetronsputteringionbeams,Actaphynicasinica,2005，54(3)1378-1384 是一个亮点，采用直流电源放电，通过控制非平衡磁控靶的磁场分布与气压等放电参数，由放电不稳定性形成高功率脉冲。磁控溅射放电气体与溅射原子的电离主要发生在阴极鞘层区域，利用了EB穿插场约束电子10 王
11、启民；张小波；张世宏；王成勇；伍尚华；高功率脉冲磁控溅射技术沉积硬质涂层研究进展，广东工业大学学报，2021年2月第30卷第四期，导致了复杂等离子体的不稳定性与电磁效应,11 吴忠振等，高功率脉冲磁控溅射的技术开展与研究，真空，2021年5月第46卷第三期，19-22,12 于凤斌；陈莹 磁控溅射对薄膜附着力的影响 绝缘材料2021年第六期 41-4613 王启民；张小波；张世宏；王成勇；伍尚华；高功率脉冲磁控溅射技术沉积硬质涂层研究进展，广东工业大学学报，2021年2月第30卷第四期14 Bouzikas K D,Michailidis N,Skordaris G,et al.Cutting
12、 weith coated tools;Coating technologies,characterzation methods and performance optimization J.CIRP Annals-Manufacturing Technology ,2021,61:703-72315 Bolz S,Fub H G,richert W.et al.Latest results in HPPMS thin film coating toolsC.1st International IJC-PISE Workshop,Riga,Lavia,June 9-1016 Bouzikas
13、K D,Michailidis N,Skordaris G,et al.Cutting weith coated tools;Coating technologies,characterzation methods and performance optimization J.CIRP Annals-Manufacturing Technology ,2021,61:703-723通过调整磁场功率等放电参数诱发穿插场驱动霍尔漂移的电离不稳定性与磁绝缘机制形成高功率脉冲放电。采用同轴线圈电流控制非平衡磁控溅射系统的非平衡度放电电源为直流磁控溅射电源，研究调整放电过程中的气压、功率与磁场电流等参数
14、控制放电脉冲的频率，采用示波器观察这种脉冲放电过程，研究了线圈电流、气压与脉冲频率之间的关系，采用圆形平面偏压电极研究了脉冲放电模式中的浮置电位与脉冲离子电流，分析了脉冲的波形的特征、形成原因及影响因素。 高功率脉冲磁控溅射技术的关键是在磁控溅射阴极上施加高功率脉冲，根据施加脉冲的峰值功率与波形，分为常规的高功率脉冲磁控溅射，公司与调制脉冲功率磁控溅射，或+，l与公司；电压在脉冲作用时间内快速上升至级，随后减小，放电电流可达，峰值功率，空比，脉冲宽度；图是典型的电压电流与功率波形，相对于，降低峰值电流与峰值功率约一个量级，脉冲宽度增 加至量级，最大可达，占空比，而且可以通过微脉冲调制脉冲位形，
15、实现包括引等离子体的弱脉冲与增强等离子体的强脉 冲在内的多段脉冲控制，提高了等离子体的稳定性与可控性近几年来，除两种主流 高功率脉冲溅射技术外，p、 e、等公司与哈尔滨工业大学科研单位又展出了双极脉冲高功率脉冲磁控 溅射、直流叠加高功率脉冲磁控溅射与高频高功率脉冲磁控溅射技术等，用于克制现有高功 率脉冲溅射在阴极或沉积膜层导电性差时易打弧、沉积速率下降等缺乏10目前所开展研究的高功率磁控脉冲溅射技术，主要是在高功率电磁脉冲的作用下是靶材大量离化，形成颗粒，在磁场与电厂的交互作用下撞击在基材外表形成薄膜，这种磁控溅射技术的沉积速率快，但是靶材在大功率的电离作用下离化的颗粒较大且不均匀是影响镀膜质
16、量的主要因素，所以我的设想是从控制工作环境与气体气氛与离化颗粒在基材上的附着这两个方面来提高镀膜质量。 1Andr Anders等人研究了高功率脉冲磁控溅射时电压 - 电流 - 时间关系，他们采用 Cu 、 Ti i、Nb 、C、W、Al 及 Cr 等不同的靶材，对等离子体放电特性进展研究。研究发现，HPPMS放电主要有两个阶段组成：第一阶段与工作气压相关，主要是气体发生电离放电；第二阶段那么取决于靶材材料与功率，与发生的自溅射密切相关。A.P.Ehiasarian等人对HPPMS放电等离子体成分机型了研究，发现在纯Ar气体环境下，Ti+浓度为46%，而直流磁控溅射只有10%。在氩气与10%氮
17、气的混合气氛中，发现成膜离子含量大大增高，其中Ti+的含量大约是DCMS的5倍，反响性的N+含量是DCMS的四倍。此外，在离子传输过程中，波速与脉冲能量无关但是波振幅随脉冲能量的增加而增加。11因此，个人认为在进展高功率磁控溅射镀膜时，可以不使用单一保护气体气体，可以在气体中适量掺入适当气体增加成膜离子含量。经电离出的离子在经过气体环境时与气体分子碰撞减小了动量，因此离子与基材的结合力会受到影响，假设对基材外表进展活化处理，可以使得离子与基材结合更加结实。薄膜之所以能附着在基材上，是范德华力，扩散附着，与机械咬合综合作用的结果。由于基材的外表在微观下是凹凸不平的，镀膜与基材形成相互交织的咬合，
18、这种咬合是单纯的机械结合，附着力较低；假设离化粒子的速度较高，便可以与基材外表的原子或分子产生范德华力，这种力量较强，但是具有范德华力的部位仅仅是镀膜与基材的表层；由于溅射室的温度较高，一些镀膜材料可能与基材发生化学反响产生化学键，或者热扩散，镀膜与基材的结合是这些因素共同决定的。进展高功率磁控溅射时，基材温度过高，外表可能发生微变形，影响镀膜的均匀程度，造成应力不均匀，导致镀膜与基材结合不良。目前的研究普遍认为：1.不同的基材与镀膜材料组合对镀膜附着性有重要影响，对于膜基匹配性不好，材料性能差异大的，可以设置过渡层来改善；2.提高机体的外表清洁度有利于提高镀膜与基体的附着力，对基体进展离子轰
19、击更好；3.制备镀膜时的各种工艺参数设置将对薄膜附着性有着综合的影响，适当的参数控制对提高薄膜与衬底间的附着力非常重要；4.薄膜沉积后进展适当的热处理有利于促进界面上原子间的扩散，提高镀膜的附着力；5.提高原料的纯度有利于提高附着力。122） 涂层-基材界面处理13图层的界面结合对涂层刀具在高速切削中的行为至关重要，通过界面设计可以改善图层对基材的结合强度与调整图层剩余应力分布，改善刀具涂层切削性能，高功率磁控脉冲溅射等离子体具有高等离子体密度，在负偏压的作用下高速轰击基材外表，且无电弧离子镀常见的大颗粒污染，为基底外表蚀刻提供了良好的效果。Bouzikis等14研究了不同HIPIMS界面层与
20、研磨/抛光/磨砂处理对涂层的抗冲击性能与涂层刀具的切削行为的影响，结果说明，不同的处理方法与不同的厚度、成分(Cr,Ti,W)的合金界面层改变了涂层界面结合强度与剩余应力分布，极大的影响涂层的抗冲击性能，饥饿而影响刀具的切削行为；适宜的涂层前处理与具有优化的成分，厚度的HIPIMS合金界面层可以使涂层刀具寿命成倍生长。高功率磁控脉冲溅射技术制备涂层更致密，力学性能与高温稳定性更好，常规磁控溅射TiAlN涂层为柱状晶构造，硬度为30GPa，杨氏模量460GPa；HIPIMS-TiAlN涂层的硬度为34GPa，杨氏模量为377GPa；15硬度与杨氏模量之间的比例是衡量涂层韧性的一种方法，较高的硬度
21、与较小的杨氏模量意味着更好的韧性。HIPIMS-TiAlN涂层具有更好的高温稳定性，经1000，4h高温退火处理后常规TiAlN图层中有AlN六方相析出，涂层高温下硬度降低，而HIPIMS-TiAlN涂层在一样的温度与时间热处理后涂层相保持不变；HIPIMS-TiAlN图层的高温氧化开场温度也较常规涂层有较大提高。因此，HIPIMS-TiAlN涂层在高速切削刀具中表现出远优于其他PVD工艺制备的涂层刀具。15三、 完毕语高功率磁控脉冲溅射技术是一种飞速开展的材料外表处理技术，是一种等离子物理气相沉积技术。它具有靶材离化度高，镀膜与基材结合严密，镀膜致密等优良特点。在世界范围内得到了广泛的应用与飞速开展。在工具外表处理，模具外表处理等技术上的应用都取得了一定的开展。但是设备造价与设备的稳定性仍待进一步改善。相信在未来的研究与优化下，该技术能给各种制造业与设备维护行业的开展提供更多益处，给各种机械零部件与制造行业的开展带来更大的飞跃。第 11 页