高功率脈沖磁控濺射技術(shù)的特點(diǎn)及其研究

1、高功率脈沖磁控濺射技術(shù)的特點(diǎn)及其研究 班級(jí)：機(jī)械工程學(xué)院材料1301班 學(xué)號(hào)：03350130104 作者：程乾坤 摘要：本論文主要介紹高功率脈沖磁控濺射技術(shù)的主要特點(diǎn)以及目前的研究狀況和未來(lái)的發(fā)展方向。簡(jiǎn)介該技術(shù)到目前為止世界范圍內(nèi)的進(jìn)展和發(fā)展歷程，作者對(duì)該技術(shù)到目前為止的發(fā)展分析以及對(duì)該技術(shù)所作的一些想法。 關(guān)鍵詞：高功率磁控脈沖、離化率、薄膜性能 一、高功率脈沖磁控濺射技術(shù)的介紹 磁控濺射（HIPIMS）是在濺射的基礎(chǔ)上，運(yùn)用靶板材料自身的電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相互電磁交互作用，在靶板附近添加磁場(chǎng)，使得二次電離出更多的離子，增加濺射效率。這種技術(shù)應(yīng)用于材料鍍膜。其中高功率脈沖磁控濺射（high-p

2、ower impulse magnetron sputtering (HiPIMS)或high-power pulsed magnetron sputtering (HPPMS)）近來(lái)使用較為普遍。 磁控濺射的工作原理是指電子在電場(chǎng)E的作用下，在飛向基片過(guò)程中與氬原子發(fā)生碰撞，使其電離產(chǎn)生出Ar正離子和新的電子；新電子飛向基片，Ar離子在電場(chǎng)作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜，而產(chǎn)生的二次電子會(huì)受到電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用，產(chǎn)生E（電場(chǎng)）B（磁場(chǎng)）所指的方向漂移，簡(jiǎn)稱(chēng)EB漂移，其運(yùn)動(dòng)軌跡近似于一條擺線。若為環(huán)形磁場(chǎng)，則電子就以

3、近似擺線形式在靶表面做圓周運(yùn)動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)路徑不僅很長(zhǎng)，而且被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，并且在該區(qū)域中電離出大量的Ar 來(lái)轟擊靶材，從而實(shí)現(xiàn)了高的沉積速率。隨著碰撞次數(shù)的增加，二次電子的能量消耗殆盡，逐漸遠(yuǎn)離靶表面，并在電場(chǎng)E的作用下最終沉積在基片上。由于該電子的能量很低，傳遞給基片的能量很小，致使基片溫升較低。 磁控濺射是入射粒子和靶的碰撞過(guò)程。入射粒子在靶中經(jīng)歷復(fù)雜的散射過(guò)程，和靶原子碰撞，把部分動(dòng)量傳給靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成級(jí)聯(lián)過(guò)程。在這種級(jí)聯(lián)過(guò)程中某些表面附近的靶原子獲得向外運(yùn)動(dòng)的足夠動(dòng)量，離開(kāi)靶被濺射出來(lái)。 高功率磁控濺射是著名已故俄羅斯科學(xué)家Vladimi

4、r Kouzentsov開(kāi)發(fā)并且擁有專(zhuān)利的一種脈沖物理氣象沉積（PVD）的方法。它的主要特點(diǎn)是離化率高，堆積致密，鍍膜性能好。高功率，顧名思義，是用非常高的電壓產(chǎn)生的脈沖撞擊靶材表面而使得靶材離化率大幅增加的技術(shù)，但是發(fā)射高功率脈沖是對(duì)電極的一個(gè)考驗(yàn)，所以，這種高功率的發(fā)射不是連續(xù)的，而是在電極的可承受范圍內(nèi)斷續(xù)而高頻的發(fā)射，這種方法既增加了靶材的離化率，又相對(duì)延長(zhǎng)了電極的使用壽命。由于擊中基體的帶正電荷的粒子能量和方向均受到施加于基體的負(fù)電壓（偏壓）的有利影響，因此，高的靶材金屬離化率相對(duì)于傳統(tǒng)方法，使涂層結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)上得到了改進(jìn)。 二、截止目前的發(fā)展及研究 1999年，瑞典的V,Kouzne

5、tsov及其團(tuán)隊(duì)1 賽利涂層公司，HIPIMS高功率磁控脈沖技術(shù)，工具技術(shù)2011-08-10 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脈沖作為磁控濺射的供電模式，提出了HPPMS的方法，并沉積了Cu薄膜，相對(duì)于普通的直流濺射，HPPMS獲得高的CU離化率，膜層高致密度，

6、高的靶材利用率，均勻的厚度3 吳忠振等，高功率脈沖磁控濺射的技術(shù)發(fā)展與研究，真空，2009年5月第46卷第三期，19-22, 。這時(shí)有很多做磁控濺射研究的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注這一研究方向，并且在試驗(yàn)中將這種設(shè)備逐漸完善。其中主要包括改進(jìn)磁控放電的穩(wěn)定性和改變脈沖結(jié)構(gòu)增加沉積率兩個(gè)方面。 高功率脈沖磁控濺射技術(shù)(HPPMS)由于能夠產(chǎn)生較高的離化率而受到人們的重視。為了提高離化率/沉積速率協(xié)同效應(yīng),基于直流和脈沖耦合疊加技術(shù)我們研制了高功率密度復(fù)合脈沖磁控濺射電源,并對(duì)高功率復(fù)合脈沖磁控濺射放電特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明脈沖峰值電流隨脈沖電壓的增加而增加,但隨著脈沖寬度的增加而減小。在高功率脈沖期間工件上獲

7、得的電流可以增加一個(gè)數(shù)量級(jí)以上,表明磁控離化率得到顯著增強(qiáng)。4 李小嬋 ;柯培玲;劉新才;汪愛(ài)英； 復(fù)合高功率脈沖磁控濺射Ti的放電特性及薄膜制備，金屬學(xué)報(bào) 2014年第50卷第7期 879-885頁(yè),共7頁(yè) 5 牟宗信；賈莉；牟曉東；董闖；直流誘導(dǎo)的高功率脈沖非平衡磁控濺射J,中國(guó)科技論文在線精品論文2010，3（14）：1506-1510 此外，國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者研究出了復(fù)合高功率脈沖磁控濺射，采用高功率脈沖磁控濺射與直流磁控濺射并聯(lián)的復(fù)合高功率脈沖磁控濺射技術(shù),研究直流磁控濺射部分耦合直流電流變化對(duì)Ti靶在Ar氣氛中放電及等離子體特性的影響.采用表面輪廓儀、掃描探針顯微鏡、X射線衍射與納米壓

8、痕儀對(duì)Ti薄膜厚度、結(jié)構(gòu)特征以及力學(xué)性能進(jìn)行表征.結(jié)果表明：耦合直流電流增加,靶平均功率增加,脈沖作用期間靶電流降低,等離子體電子密度增加;在耦合直流電流為2.0A時(shí),等離子體電子密度和電子溫度獲得較大值,分別為2.98 V和0.93 eV;耦合直流電流增加,Ti薄膜沉積速率近似線性增加,粗糙度增加,硬度和彈性模量略有降低;相同靶平均功率時(shí),采用復(fù)合高功率脈沖磁控濺射技術(shù)制備Ti薄膜與采用傳統(tǒng)直流磁控濺射技術(shù)相比,沉積速率相當(dāng);靶平均功率650W時(shí)復(fù)合高功率脈沖磁控濺射所制Ti薄膜比傳統(tǒng)直流磁控濺射所制Ti薄膜更加光滑,平均粗糙度降低1.32 nm,力學(xué)性能更加優(yōu)異,硬度提高2.68GPa.6

9、J.A.Thornton.Magnetronsputtering:basicphysicsandapplicationtocylindricalmagnetrons.1978J.Vac.Sci.Technol.A15(2):171-177 在HPPMS的放電方式研究方面，大連理工大學(xué)的三束材料改性實(shí)驗(yàn)室的直流誘導(dǎo)高功率脈沖非平衡磁控濺射7 RossnagelSM.InducedDriftCurrentsinCircularPlanarMagnetronsJ.Vac.Sci.Tchnol.A5(1),Jan/Feb1987 8MuZX,LiGQ,CheDL,etal,Studiesofthedi

10、schargepropertiesofunbalancedmagnetronsputteringsystem.SurfaceandcoatingsThecnol.,2005,193:46-49 9MuZX,LiGQ,QinFW,Themodelofthemagneticmirroreffectintheunbalancedmagnetronsputteringionbeams,Actaphynicasinica,2005，54(3)1378-1384 是一個(gè)亮點(diǎn)，采用直流電源放電，通過(guò)控制非平衡磁控靶的磁場(chǎng)分布和氣壓等放電參數(shù)，由放電不穩(wěn)定性形成高功率脈沖。磁控濺射放電氣體和濺射原子的電離主要

11、發(fā)生在陰極鞘層區(qū)域，利用了EB交叉場(chǎng)約束電子10 王啟民；張小波；張世宏；王成勇；伍尚華；高功率脈沖磁控濺射技術(shù)沉積硬質(zhì)涂層研究進(jìn)展，廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013年2月第30卷第四期，導(dǎo)致了復(fù)雜等離子體的不穩(wěn)定性和電磁效應(yīng),11 吳忠振等，高功率脈沖磁控濺射的技術(shù)發(fā)展與研究，真空，2009年5月第46卷第三期，19-22,12 于鳳斌；陳瑩 磁控濺射對(duì)薄膜附著力的影響 絕緣材料2008年第六期 41-4613 王啟民；張小波；張世宏；王成勇；伍尚華；高功率脈沖磁控濺射技術(shù)沉積硬質(zhì)涂層研究進(jìn)展，廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013年2月第30卷第四期14 Bouzikas K D,Michailidis N

12、,Skordaris G,et al.Cutting weith coated tools;Coating technologies,characterzation methods and performance optimization J.CIRP Annals-Manufacturing Technology ,2012,61:703-72315 Bolz S,Fub H G,richert W.et al.Latest results in HPPMS thin film coating toolsC.1st International IJC-PISE Workshop,Riga,L

13、avia,June 9-1016 Bouzikas K D,Michailidis N,Skordaris G,et al.Cutting weith coated tools;Coating technologies,characterzation methods and performance optimization J.CIRP Annals-Manufacturing Technology ,2012,61:703-723通過(guò)調(diào)整磁場(chǎng)功率等放電參數(shù)誘發(fā)交叉場(chǎng)驅(qū)動(dòng)霍爾漂移的電離不穩(wěn)定性和磁絕緣機(jī)制形成高功率脈沖放電。采用同軸線圈電流控制非平衡磁控濺射系統(tǒng)的非平衡度放電電源為直流磁控濺射

14、電源，研究調(diào)整放電過(guò)程中的氣壓、功率和磁場(chǎng)電流等參數(shù)控制放電脈沖的頻率，采用示波器觀察這種脈沖放電過(guò)程，研究了線圈電流、氣壓和脈沖頻率之間的關(guān)系，采用圓形平面偏壓電極研究了脈沖放電模式中的浮置電位和脈沖離子電流，分析了脈沖的波形的特征、形成原因及影響因素。 高功率脈沖磁控濺射技術(shù)的關(guān)鍵是在磁控濺射陰極上施加高功率脈沖，根據(jù)施加脈沖的峰值功率和波形，分為常規(guī)的高功率脈沖磁控濺射（，公司）和調(diào)制脈沖功率磁控濺射（），或+，l和公司）；電壓在脈沖作用時(shí)間內(nèi)快速上升至級(jí)，隨后減小，放電電流可達(dá)，峰值功率，空比，脈沖寬度；圖（）是典型的電壓電流和功率波形，相對(duì)于，降低峰值電流和峰值功率約一個(gè)量級(jí)，脈沖寬

15、度增 加至量級(jí)，最大可達(dá)，占空比，而且可以通過(guò)微脈沖調(diào)制脈沖位形，實(shí)現(xiàn)包括引等離子體的弱脈沖和增強(qiáng)等離子體的強(qiáng)脈 沖在內(nèi)的多段脈沖控制，提高了等離子體的穩(wěn)定性和可控性近幾年來(lái)，除兩種主流 高功率脈沖濺射技術(shù)外，p、 e、等公司和哈爾濱工業(yè)大學(xué)科研單位又展出了雙極脈沖高功率脈沖磁控 濺射、直流疊加高功率脈沖磁控濺射和高頻高功率脈沖磁控濺射技術(shù)等，用于克服現(xiàn)有高功 率脈沖濺射在陰極或沉積膜層導(dǎo)電性差時(shí)易打弧、沉積速率下降等不足10目前所發(fā)展研究的高功率磁控脈沖濺射技術(shù)，主要是在高功率電磁脈沖的作用下是靶材大量離化，形成顆粒，在磁場(chǎng)和電廠的交互作用下撞擊在基材表面形成薄膜，這種磁控濺射技術(shù)的沉積速率

16、快，但是靶材在大功率的電離作用下離化的顆粒較大且不均勻是影響鍍膜質(zhì)量的主要因素，所以我的設(shè)想是從控制工作環(huán)境和氣體氛圍和離化顆粒在基材上的附著這兩個(gè)方面來(lái)提高鍍膜質(zhì)量。 1）Andr Anders等人研究了高功率脈沖磁控濺射時(shí)電壓 - 電流 - 時(shí)間關(guān)系，他們采用 Cu 、 Ti i、Nb 、C、W、Al 及 Cr 等不同的靶材，對(duì)等離子體放電特性進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，HPPMS放電主要有兩個(gè)階段組成：第一階段與工作氣壓相關(guān)，主要是氣體發(fā)生電離放電；第二階段則取決于靶材材料和功率，與發(fā)生的自濺射密切相關(guān)。A.P.Ehiasarian等人對(duì)HPPMS放電等離子體成分機(jī)型了研究，發(fā)現(xiàn)在純Ar氣體環(huán)境

17、下，Ti+濃度為46%，而直流磁控濺射只有10%。在氬氣和10%氮?dú)獾幕旌蠚夥罩?，發(fā)現(xiàn)成膜離子含量大大增高，其中Ti+的含量大約是DCMS的5倍，反應(yīng)性的N+含量是DCMS的四倍。此外，在離子傳輸過(guò)程中，波速與脈沖能量無(wú)關(guān)但是波振幅隨脈沖能量的增加而增加。11因此，個(gè)人認(rèn)為在進(jìn)行高功率磁控濺射鍍膜時(shí)，可以不使用單一保護(hù)氣體氣體，可以在氣體中適量摻入適當(dāng)氣體增加成膜離子含量。經(jīng)電離出的離子在經(jīng)過(guò)氣體環(huán)境時(shí)與氣體分子碰撞減小了動(dòng)量，因此離子與基材的結(jié)合力會(huì)受到影響，假如對(duì)基材表面進(jìn)行活化處理，可以使得離子與基材結(jié)合更加牢固。薄膜之所以能附著在基材上，是范德華力，擴(kuò)散附著，和機(jī)械咬合綜合作用的結(jié)果。

18、由于基材的表面在微觀下是凹凸不平的，鍍膜與基材形成相互交錯(cuò)的咬合，這種咬合是單純的機(jī)械結(jié)合，附著力較低；若離化粒子的速度較高，便可以與基材表面的原子或分子產(chǎn)生范德華力，這種力量較強(qiáng)，但是具有范德華力的部位僅僅是鍍膜和基材的表層；由于濺射室的溫度較高，一些鍍膜材料可能與基材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)鍵，或者熱擴(kuò)散，鍍膜與基材的結(jié)合是這些因素共同決定的。進(jìn)行高功率磁控濺射時(shí)，基材溫度過(guò)高，表面可能發(fā)生微變形，影響鍍膜的均勻程度，造成應(yīng)力不均勻，導(dǎo)致鍍膜與基材結(jié)合不良。目前的研究普遍認(rèn)為：1.不同的基材與鍍膜材料組合對(duì)鍍膜附著性有重要影響，對(duì)于膜基匹配性不好，材料性能差別大的，可以設(shè)置過(guò)渡層來(lái)改善；2.提

19、高機(jī)體的表面清潔度有利于提高鍍膜和基體的附著力，對(duì)基體進(jìn)行離子轟擊更好；3.制備鍍膜時(shí)的各種工藝參數(shù)設(shè)置將對(duì)薄膜附著性有著綜合的影響，適當(dāng)?shù)膮?shù)控制對(duì)提高薄膜與襯底間的附著力非常重要；4.薄膜沉積后進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚碛欣诖龠M(jìn)界面上原子間的擴(kuò)散，提高鍍膜的附著力；5.提高原料的純度有利于提高附著力。122） 涂層-基材界面處理13圖層的界面結(jié)合對(duì)涂層刀具在高速切削中的行為至關(guān)重要，通過(guò)界面設(shè)計(jì)可以改善圖層對(duì)基材的結(jié)合強(qiáng)度和調(diào)整圖層殘余應(yīng)力分布，改善刀具涂層切削性能，高功率磁控脈沖濺射等離子體具有高等離子體密度，在負(fù)偏壓的作用下高速轟擊基材表面，且無(wú)電弧離子鍍常見(jiàn)的大顆粒污染，為基底表面蝕刻提供了良好的效果。Bouzikis等14研究了不同HIPIMS界面層和研磨/拋光/磨砂處理對(duì)涂層的抗沖擊性能和涂層刀具的切削行為的影響，結(jié)果表明，不同的處理方法和不同的厚度、成分(Cr,Ti,W)的合金界面層改變了涂層界面