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 Вт / см）。

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 Вт / см ^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 г / см ³DC膜的密度为3,71 г/см ³，表面粗糙度为1.3 нм，表面粗糙度仅为0.5 нм 。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 ₃Та 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 _xКр _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 ГПа，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 кг / мм 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。

转至http://vtcmagblog.com/

参考：

1. D J Christie et al., 47-я ежегодная техническая конференция Общества специалистов по вакуумным покрытиям (2004) 113.
2. Уильям Д. Спроул, 50 лет технологии вакуумных покрытий и рост Общества вакуумных покрытий, Дональд М. Маттокс и Вивьен Харвуд Маттокс, изд. Общество вакуумных покрытий (2007) 35.
3. R Bandorf et al., 50-я ежегодная техническая конференция Общества специалистов по вакуумным покрытиям (2007) 160.
4. J A Davis et al., 47-я ежегодная техническая конференция Общества специалистов по вакуумным покрытиям (2004) 215.
5. K Sarakinos et al., Rev. Adv. Mater. Sci, 15 (2007) 44.
6. S Konstantinidis et al., 50-я ежегодная техническая конференция Общества специалистов по вакуумным покрытиям (2007) 92.
7. W.D. Sproul, D.J. Christie, and D.C. Carter, 47-я ежегодная техническая конференция Общества производителей вакуумных покрытий (2004) 96.
8. D A Glocker et al, Материалы 48-й технической конференции Общества специалистов по вакуумным покрытиям (2005) 53.
9. J Li, S R Kirkpatrick и S L Rohde, презентация SE-TuA1, Осенняя техническая конференция AVS 2007, 14 - 19 октября 2007 г., Сиэтл, штат Вашингтон.
10. D A Glocker et al., 47-я ежегодная техническая конференция Общества специалистов по вакуумным покрытиям (2004) 183
11. A P Ehiasarian et al., Материалы 45-й технической конференции Общества вакуумных покрытий (2002) 328.
12. J Böhlmark et al., Материалы 49-й технической конференции Общества специалистов по вакуумным покрытиям (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., Материалы 50-й технической конференции Общества специалистов по вакуумным покрытиям (2007) 150.
16. A P Ehiasarian et al, Труды 49-й технической конференции Общества вакуумных покрытий (2006) 349.
17. W D Sproul, Материалы 50-й технической конференции Общества специалистов по вакуумным покрытиям (2007) 591
18. B M DeKoven et al. Материалы 46-й технической конференции Общества вакуумных покрытий (2003) 158
19. SE+PS-MoA1: Р. Чистяков, "Модулированное импульсное осаждение многослойных покрытий нанометрового масштаба", представлен на Осенней технической конференции AVS 2008, Сиэтл, штат Вашингтон, 21 октября 2008 г.
20. SE+PS-MoA3: A. Amassian et al., представлено на Осенней технической конференции AVS 2008, Сиэтл, штат Вашингтон, 21 октября 2008 г.
21. P Eh Hovsepian et al., Труды 50-й технической конференции Общества вакуумных покрытий (2007) 602.
22. V Sittinger et al., Труды 49-й технической конференции Общества вакуумных покрытий (2006) 343.