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。/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。 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]。

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。 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 克/厘米 ³如果使用电源的最佳占空比，则 TiO ₂的折射率也很高，约为2.72 [3]。 ₂氧化锌，铝 ₂ O ₃Ta，Ta ₂ O ₅和氧化锆 _2的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。

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。 _xCr _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。ZOn：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 等人，第 47 届真空镀膜机协会年度技术会议（2004 年）113。
2. William D. Sproul，《真空镀膜技术 50 年与真空镀膜机协会的发展》，Donald M. Mattox 和 Vivienne Harwood Mattox 编辑，真空镀膜机协会（2007 年）35。
3. R Bandorf 等人，真空镀膜机协会第 50 届年度技术会议（2007 年）160。
4. J A Davis 等人，第 47 届真空镀膜机协会年度技术会议（2004 年）215。
5. K Sarakinos 等人，Rev. Adv.Sci, 15 (2007) 44.
6. S Konstantinidis 等人，真空镀膜机协会第 50 届年度技术会议（2007 年）92。
7. W.D. Sproul、D.J. Christie 和 D.C. Carter，第 47 届真空镀膜机协会年度技术会议（2004 年）96。
8. D A Glocker 等人，第 48 届真空镀膜机协会技术会议记录（2005 年）53。
9. J Li、S R Kirkpatrick 和 S L Rohde，SE-TuA1 演讲，AVS 2007 秋季技术会议，2007 年 10 月 14 - 19 日，华盛顿州西雅图。
10. D A Glocker 等人，第 47 届真空镀膜机协会年度技术会议（2004 年） 183
11. A P Ehiasarian 等人，第 45 届真空镀膜机协会技术会议记录（2002 年）328。
12. J Böhlmark 等人，第 49 届真空镀膜机协会技术会议记录（2006 年）334。
13. J Alami 等人，《薄固体薄膜》515 (4)：1731-1736.
14. A P Ehiasarian 等人，《表面与涂层技术》163-164：267-272。
15. J Paulitsch 等人，《真空镀膜机协会第 50 届技术会议记录》（2007 年），第 150 页。
16. A P Ehiasarian 等人，第 49 届真空镀膜机协会技术会议记录（2006 年）349。
17. W D Sproul，《真空镀膜机协会第 50 届技术会议记录》（2007 年）591 页
18. B M DeKoven 等人.第 46 届真空镀膜机协会技术会议记录（2003 年）158
19. SE+PS-MoA1：R. Chistyakov，"Modulated Pulse Power Deposition ofNanometer-Scale Multilayered Coatings"，2008 年 10 月 21 日在华盛顿州西雅图举行的 2008 年美国航空航天学会秋季技术会议上发表。
20. SE+PS-MoA3：A. Amassian 等人，2008 年 10 月 21 日在华盛顿州西雅图举行的 2008 年 AVS 秋季技术会议上发表。
21. P Eh Hovsepian 等人，《真空镀膜机协会第 50 届技术会议论文集》（2007 年），第 602 页。
22. V Sittinger 等人，第 49 届真空镀膜机协会技术会议记录（2006 年）343。