高功率脉冲磁控溅射技术的特点及其研究

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：03350130104作者：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和未来的发展方向。简介该技术到目前为止世界范围内的进展和发展历程，作者对该技术到目前为止的发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）是在溅射的基础上，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-powerimpulsemagnetronsputtering(HiPIMS)或high-powerpulsedmagnetronsputtering(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正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，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和磁场作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，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，逐渐远离靶表面，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和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中某些表面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VladimirKouzentsov开发并且拥有专利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表面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和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，使涂层结构和特点上得到了改进。1二、截止目前的发展及研究1999年，瑞典的V,Kouznetsov及其团队[1]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[2]。这时有很多做磁控溅射研究的学者开始关注这一研究方向，并且在试验中将这种设备逐渐完善。其中主要包括改进磁控放电的稳定性和改变脉冲结构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,基于直流和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行研究。结果表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,表明磁控离化率得到显著增强。[3]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,研究直流磁控溅射部分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.采用表面轮廓仪、扫描探针显微镜、X射线衍射与纳米压痕仪对Ti薄膜厚度、结构特征以及力学性能进行表征.结果表明：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,等离子体电子密度和电子温度获得较大值,分别为2.98V和0.93eV;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,硬度和弹性模量略有降低;相同靶平均功率时,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1.32nm,力学性能更加优异,硬度提高2.68GPa.[4]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[5]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和气压等放电参数，由放电不稳定性形成高功率脉冲。磁控溅射放电气体和溅射原子的电离主要发生在阴极鞘层区域，利用了E×B交叉场约束电子[6]，导致了复杂等离子体的不稳定性和电磁效应,[7][8][9]通过调整磁场功率等放电参数诱发交叉场驱动霍尔漂移的电离不稳定性和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、功率和磁场电流等参数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、气压和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和脉冲离子电流，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和波形，分为常规的高功率脉冲磁控溅射（ＨＩＰＩＭＳ／ＨＰＰＭＳ，Ｈｕｅｔｔｉｎｇｅｒ公司）和调制脉冲功率磁控溅射（ＭｏｄｕｌａｔｅｄＰｕｌｓｅｄＰｏｗｅｒＭａｇｎｅｒｏｎＳｐｕｔｔｅｒｉｎｇ（ＭＰＰＭＳ），或ＨＩＰＩＭＳ+，Ｚｐｕlｓｅｒ和Ｈａｕｚｅｒ公司）；电压在脉冲作用时间内快速上升至ｋＶ级，随后减小，放电电流可达ｋＡ，峰值功率０５～１０ｋＷ／ｃｍ２，空比０５％～５％，脉冲宽度２０～２００μｓ；图３（ｂ）是典型的ＭＰＰＭＳ电压电流和功率波形，相对于ＨＩＰＩＭＳ，ＭＰＰＭＳ降低峰值电流和峰值功率约一个量级，脉冲宽度增加至ｍｓ量级，最大可达３ｍｓ，占空比１％～３０％，而且可以通过微脉冲调制脉冲位形，实现包括引等离子体的弱脉冲和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和可控性．近几年来，除两种主流高功率脉冲溅射技术外，Ｍａｇpｕｌｓ、Ｍeｌｅｃ、ＰｌａｓｍａＴｅｃｈ、Ｓｏｌｖｉｘ、Ｚｕｌｓｅｒ等公司和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和高频高功率脉冲磁控溅射技术等，用于克服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、沉积速率下降等不足．[10]目前所发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，在磁场和电厂的交互作用下撞击在基材表面形成薄膜，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量的主要因素，所以我的设想是从控制工作环境和气体氛围和离化颗粒在基材上的附着这两个方面来提高镀膜质量。1）AndréAnders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、Tii、Nb、C、W、Al及Cr等不同的靶材，对等离子体放电特性进行研究。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；第二阶段则取决于靶材材料和功率，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%。在氩气和10%氮气的混合气氛中，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，反应性的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，个人认为在进行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，假如对基材表面进行活化处理，可以使得离子与基材结合更加牢固。薄膜之所以能附着在基材上，是范德华力，扩散附着，和机械咬合综合作用的结果。由于基材的表面在微观下是凹凸不平的，镀膜与基材形成相互交错的咬合，这种咬合是单纯的机械结合，附着力较低；若离化粒子的速度较高，便可以与基材表面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和基材的表层；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应产生化学键，或者热扩散，镀膜与基材的结合是这些因素共同决定的。进行高功率磁控溅射时，基材温度过高，表面可能发生微变形，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，材料性能差别大的，可以设置过渡层来改善；2.提高机体的表面清洁度有利于提高镀膜和基体的附着力，对基体进行离子轰击更好；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.薄膜沉积后进行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。[12]2）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和调整图层残余应力分布，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表面，且无电弧离子镀常见的大颗粒污染，为基底表面蚀刻提供了良好的效果。Bouzikis等[14]研究了不同HIPIMS界面层和研磨/抛光/磨砂处理对涂层的抗冲击性能和涂层刀具的切削行为的影响，结果表明，不同的处理方法和不同的厚度、成分(Cr,Ti,W)的合金界面层改变了涂层界面结合强度和残余应力分布，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；合适的涂层前处理和具有优化的成分，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，力学性能和高温稳定性更好，常规磁控溅射TiAlN涂层为柱状晶结构，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]硬度和杨氏模量之间的比例是衡量涂层韧性的一种方法，较高的硬度和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涂层在相同的温度和时间热处理后涂层相保持不变；HIPIMS-TiAlN图层的高温氧化开始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、结束语高功率磁控脉冲溅射技术是一种飞速发展的材料表面处理技术，是一种等离子物理气相沉积技术。它具有靶材离化度高，镀膜与基材结合紧密，镀膜致密等优良特点。在世界范围内得到了广泛的应用和飞速发展。在工具表面处理，模具表面处理等技术上的应用都取得了一定的发展。但是设备造价和设备的稳定性仍待进一步改善。相信在未来的研究和优化下，该技术能给各种制造业和设备维护行业的发展提供更多益处，给各种机械零部件和制造行业的发展带来更大的飞跃。[1]赛利涂层公司，HIPIMS——高功率磁控脉冲技术，《工具技术》