HPPMS大功率脉冲磁控溅射PVD涂层技术

高功率脉冲磁控溅射（HPPMS），也称为高功率脉冲磁控溅射（HIPIMS）是基于磁控溅射沉积的PVD涂层技术。HPPMS利用kW / cm ²量级的极高功率密度在小于10％的低占空比（开/关时间比）下，以数十微秒的短脉冲（脉冲）为单位。HPPMS的显着特征是溅射金属的高度电离和分子气体的高解离速率，这导致了沉积膜的高密度。电离和解离度根据峰值阴极功率而增加。该极限由放电从辉光到电弧相的过渡确定。选择峰值功率和占空比，以保持类似于常规溅射的平均阴极功率（1-10 W / cm）。

HPPMS用于：

• 在涂层沉积之前对基底进行粘合力增强的预处理（基底蚀刻）
• 沉积具有高微结构密度的涂层

HPPMS在很短的时间内（通常为〜100μs）使用向阴极提供的大能量脉冲。这需要非常不同类型的电源[1]。HPPMS工艺可将较大的低能量离子通量传递给基板。电源必须产生最高3 MW /脉冲的峰值功率，脉冲宽度在100到150μs之间。平均功率约为20 kW，频率高达500 Hz。除了提供脉冲功率外，还必须进行电弧抑制。该过程利用了高能量脉冲产生的增强电离的优势。施加至靶材的功率密度约为1 – 3 kW / cm ²（与功率密度约为1 – 10 W / cm ^2的传统磁控溅射相比）[2]。

由于增强的电离作用，可以使用HPPMS来完成晶体膜的生长以及控制其相组成[3]。沉积条件同样很重要，但是电源的占空比和等离子体参数似乎有助于形成晶体结构。发现TiO ₂的金红石相随脉冲周期而增加，随密度随脉冲幅度而降低[3]。然而，其他研究人员没有看到这种现象，仅获得了非晶膜，而沉积了高结晶度的钛[4]。HPPMS已沉积了高度结晶的ITO膜。

结果，HPPMS涂层应具有改善的摩擦学，光学，电学和环境性能。改善的微结构也改善了光学性能[3,4,5-9]。众所周知，折射率取决于光学涂层的密度。密度较小的涂层的折射率通常低于密度较高的涂层。TiO ₂涂层是依赖于密度的完美例子。这种材料的折射率可以在2.2 – 2.5之间变化，具体取决于密度。据报道，与直流磁控溅射膜相比，由HPPMS沉积的膜具有较高的折射率，如图1所示[5]。在整个光谱上折射率较高。这些涂层的密度也为3.83 g / cm ³DC膜的密度为3.71 g / cm ³，表面粗糙度为1.3 nm，表面粗糙度仅为0.5 nm 。如果使用电源的最佳占空比，则TiO _2涂层的折射率也很高，约为2.72 [3]。改善SiO ₂，ZnO，Al ₂ O ₃，Ta ₂ O ₅和ZrO _2的光学性能电影也有报道[6,7,8]。这些结果令人印象深刻，但必须注意某些事项。与使用其他电源沉积的涂层相比，HPPMS涂层并不总是具有改进的性能[10]。光学常数总是在很大程度上取决于沉积条件，并且必须为每种材料和沉积系统确定最佳的一组条件。我看到平面磁控溅射膜也报道了很高的折射率。实际上，在某些情况下，中频磁控溅射比HPPMS具有更好的性能[8]。

HPPMS工艺的另一个优点应该是改善化学和环境稳定性。银涂层因缺乏化学和环境稳定性而臭名昭著，特别是非常薄的涂层。尽管仍有许多测试要做，但HPPMS沉积的银膜似乎在多层结构中具有更高的稳定性和光学性能[9]。

随着密度和光滑度的提高，该工艺具有改善摩擦涂层性能的潜力[11-15]。具有致密的微观结构和光滑表面的涂层在许多应用中是优选的，因为它增加了耐腐蚀和耐磨性，并减少了摩擦。诸如TiN，CrN _x，Cr _x N _y和Ti ₃ SiC _2的硬质材料均已通过HPPMS沉积。与直流磁控溅射沉积相比，TiN涂层具有非常细的晶粒结构[19]。CrN涂层甚至比UBM溅射涂层具有更好的微观结构。据报道硬度值接近25 GPa，滑动磨损系数从7降低到0.2 [15]。

HPePMS还沉积了VMeCN和CrN / NbN摩擦超晶格涂层[16,17]。这些结构显示出新的高硬度值和低COF。TiAlCN / VCN超晶格显示出较高的硬度值（Hv = 2900 kg / mm ²）和0.42的中等较低的COF。CrN / NbN涂层显示出增强的耐磨性和腐蚀保护性以及较低的表面粗糙度[16]。该过程中的一个重要步骤是用HPPMS沉积的V和Nb预处理基材。

几种资源指出HPPMS膜应具有较低的机械应力[17]。虽然应力的测量结果不充分，但据报道CrN涂层的应力在3GPa附近[15] 23。在碳膜中测得的应力范围为1.6 GPa至6.5 GPa [18]。在TiN涂层中也测得了低应力[19,20]。

HPPMS已被用于沉积低电阻率的ITO膜[21]，并显示出有望总体上改善TCO的性能。ZnO：Al膜也已通过此过程沉积。几乎所有相关报告都将HPPMS涂层与DC磁控溅射涂层进行了比较。图2比较了HPPMS和在300 C下沉积的DC溅射膜的表面形态[22]。再次注意HPPMS膜的表面非常光滑。图3比较了两种方法（9a – DC和9b – HPPMS）沉积的电阻率膜。在一个O由DC方法来实现的电阻率₂为1sccm的流量为〜3.2×10 ^-3 Ω.cm（在本领域ITO的绝对状态），而HPPMS方法的电阻率是3.1〜×10 ^-3 Ω.cm为相同的O ₂流。作者认为这是一个很大的差异，电阻率最低报道的值是1.35×10 ^-3 Ω.cm直流膜和〜1.25 X10 ^-3 Ω.cm为HPPMS膜。HPPMS的真正优势似乎在于涂层的光滑度，而HPPMS赢得了人们的青睐。

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参考：

1. D J Christie et al., 47th Annual Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2004) 113.
2. William D. Sproul, 50 years of Vacuum Coating Technology and the growth of the Society of Vacuum Coaters, Donald M. Mattox and Vivienne Harwood Mattox ed., Society of Vacuum Coaters (2007) 35.
3. R Bandorf et al., 50th Annual Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2007) 160.
4. J A Davis et al., 47th Annual Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2004) 215.
5. K Sarakinos et al., Rev. Adv. Mater. Sci, 15 (2007) 44.
6. S Konstantinidis et al., 50th Annual Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2007) 92.
7. W.D. Sproul, D.J. Christie, and D.C. Carter, 47th Annual Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2004) 96.
8. D A Glocker et al, Proceedings of the 48th Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2005) 53.
9. J Li, S R Kirkpatrick and S L Rohde, Presentation SE-TuA1, AVS 2007 Fall Technical Conference, October 14 – 19, 2007, Seattle WA.
10. D A Glocker et al., 47th Annual Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2004) 183
11. A P Ehiasarian et al., Proceedings of the 45th Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2002) 328.
12. J Böhlmark et al., Proceedings of the 49th Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2006) 334.
13. J Alami et al., Thin Solid Films 515 (4): 1731–1736.
14. A P Ehiasarian et al., Surface and Coatings Technology 163-164: 267-272.
15. J Paulitsch et al., Proceedings of the 50th Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2007) 150.
16. A P Ehiasarian et al, Proceedings of the 49th Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2006) 349.
17. W D Sproul, Proceedings of the 50th Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2007) 591
18. B M DeKoven et al. Proceedings of the 46th Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2003) 158
19. SE+PS-MoA1: R. Chistyakov, “Modulated Pulse Power Deposition ofNanometer-Scale Multilayered Coatings”, presented at the 2008 AVS Fall Technical Conference, Seattle, WA, October 21, 2008.
20. SE+PS-MoA3: A. Amassian et al., presented at the 2008 AVS Fall Technical Conference, Seattle, WA, October 21, 2008.
21. P Eh Hovsepian et al., Proceedings of the 50th Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2007) 602.
22. V Sittinger et al., Proceedings of the 49th Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2006) 343.