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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：0座机电话号码04 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-power impulse magnetron sputtering HiPIMS ?或?high-power pulsed magnetron sputtering 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Vladimir Kouzentsov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。 二、截止目前的发展及研究 1999年，瑞典的V,Kouznetsov及其团队[]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[]。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。[] 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2.98 V和0.93 eV;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1.32 nm,力学性能更加优异,硬度提高2.68