HIPIMS,HIPIMS+ 大功率脉冲磁控溅射
“高能冲击磁控溅射技术及工程应用”专题序言
“高能冲击磁控溅射技术及工程应用”专题序言磁控溅射发展于20世纪70年代，已经被广泛地应用于电子、光学、传感、机械、航空航天等高科技领域。
但在应用过程中，人们也日益发现其低离化率（<1%）对磁控溅射的工艺稳定性、绕过性、深孔沉积能力甚至涂层质量等都有很大限制。
因此，提高离化率（甚至不惜引入额外的离化装置）曾是该领域持续30多年的研究热点。
1999年HiPIMS的出现，改变了这一局面。
HiPIMS利用高能脉冲冲击溅射靶材，可在不产生宏观颗粒（Macro Particle）的情况下，极大提高被溅射粒子的离化率，获得比dcMS高得多的等离子体密度，使沉积粒子的绕射性、可控性等大大增强。
HiPIMS可用来制备更致密或具有独特性能的涂层，甚至可用来调制涂层原子的化学计量比或控制涂层结构等。
因此，一经出现，马上吸引了PVD领域研究者的目光，瑞典、日本、美国、英国、中国、澳大利亚等国家研究机构纷纷开展相关研究，取得了丰硕的研究成果。
事实上，科学的发展，都不是偶然的。
HiPIMS的出现也是如此，在HiPIMS出现之前，人们追求高密度的辉光放电等离子体（不仅仅局限于溅射）的步伐就已经开启。
早在1966年，Abramovich就提出了超高密度空心阴极辉光放电（50 A/cm2，900 V，Sov. Phys.-Tech. Phys., vol. 11, no. 4, pp. 528-532, 1966.）；1977年，日本的N. Hosokawa就提出了自溅射效应（J. Vac. Sci. Technol. 14, 143）；1995年，Posadowski等在追求纯金属自溅射过程中，采用了大功率低气压（300 W/cm2，10–4 Pa）开展自维持磁控溅射（Vacuum 46 (1995) 1017）的研究。
诸如此类的研究都为HiPIMS的出现奠定了基础。
然而，一种薄膜材料制备新技术的出现，距其被大规模工业应用尚有很大距离。
氮氩比对大功率脉冲磁控溅镀(AlCrNbSiTiV)N薄膜性能的影响
氮氩比对大功率脉冲磁控溅镀(AlCrNbSiTiV)N薄膜性能的影响LIU Zhi-wei;WU Ming-chang;LIN Yu-xuan【摘要】为探讨高熵氮化合金薄膜对车削刀具性能的提升及其应用潜力,采用高功率脉冲反应磁控溅镀(HIPIMS)技术在车刀刀片(TNMG160404R-UM T1200A)表面制作了(AlCrNbSiTiV)N 薄膜,探讨不同氮氩气比(0% 、 5% 、 10% 、 15%或20%)对(AlCrNbSiTiV)N薄膜的机械性能与微观结构的影响.采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对薄膜的厚度、沉积速率、元素成分和相结构进行分析,用纳米压痕法测试了薄膜的硬度和弹性恢复性能.考察了车削工件表面的粗糙度和刀腹磨耗情况.实验表明,提升氮氩比会令薄膜沉积速率降低,硬度提高.在氮氩比为 20%时,硬度达到 40.02 GPa.溅镀(AlCrNbSiTiV)N薄膜的弹性恢复率达76.87%以上.镀膜刀具的刀腹磨耗量和工件表面粗糙度均有非常明显的降低.%To explore the performance improvement and prospect application of turning tool modified by high-entropy alloy nitride thin film, (AlCrNbSiTiV)N films were prepared by high-power impulse magnetron sputtering (HIPIMS) on cutter inserts (TNMG1604R-UM T1200A). The effects of different nitrogen-to-argon ratios (0%, 5%, 10%, 15%, and 20%) on the mechanical properties and microstructures of (AlCrNbSiTiV)N films were discussed. The thickness, deposition rate, elemental composition, and microstructure of the film were analyzed by scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive spectroscopy (EDS), and X-ray diffraction (XRD). The hardness and elastic recovery of the films were examined by nanoindentation method. The surface roughness of the workpiece cut by the sputtered tool and its flankwear were analyzed. The experimental results showed that the deposition rate was decreased and the film hardness was increased with the increasing of nitrogen-to-argon ratio. The film hardness reached 40.02 GPa at a nitrogen-to-argon ratio of 20%. The elastic recoveries of sputtered (AlCrNbSiTiV)N films were higher than 76.87%. Both flank wear of the sputtered tool and surface roughness of the workpiece after being cut were reduced greatly .【期刊名称】《电镀与涂饰》【年(卷),期】2019(038)012【总页数】6页(P568-573)【关键词】高熵合金;氮化物;薄膜;高功率脉冲反应磁控溅镀;干式切削;刀腹磨耗【作者】LIU Zhi-wei;WU Ming-chang;LIN Yu-xuan【作者单位】Department of Mechanical and Electrical Engineering, Dongguan Polytechnic, Dongguan 523808, China;;【正文语种】中文【中图分类】TQ153.17为保护环境和降低生产成本，在切削过程中应尽量做到不使用或少用切削液，采用干式切削已成了机械制造行业发展的趋势[1]。
乱谈磁控溅射
磁控溅射技术是目前最重要的工业化大面积真空镀膜技术之一。
溅射技术的历史发展如图3-1所示，从中可以看出发展的驱动力主要来自：降低工艺成本、解决工艺难题和满足进一步提高薄膜性能的工艺参数优化。
前者关注于靶材利用率、沉积速率、薄膜均匀性以及溅射过程稳定性等方面的问题；后者由于低能离子轰击在薄膜沉积过程中的重要作用，主要要求增加溅射原子离化率和能独立控制/调节微观等离子体工艺参数等，以更好地满足实际镀膜工艺中的多种需求。
其中，HIPIMS：高功率脉冲磁控溅射high power impulse magnetron sputtering，MFMS：中频磁控溅射middle frequency magnetron sputtering，CFUBMS：闭合场非平衡磁控溅射closed field unbalanced magnetron sputtering，UBMS：非平衡磁控溅射unbalanced magnetron sputtering，IBAMS：离子束辅助磁控溅射ion beam aiding magnetron sputt ering，HCM：空心阴极磁控溅射hollow cathode sputtering，ICPMS：感应耦合等离子磁控溅射inductively coupled plasma magnetron sputtering。
（一）磁控溅射工艺原理相对于其它的制备工艺（如CVD、PLD、Spray pyrolysis等），磁控溅射是目前制备薄膜最为常用的方法之一。
概括起来磁控溅射主要具有如下优点[20]：●∙∙∙∙∙∙∙ 较低的制备温度（可室温沉积）；●∙∙∙∙∙∙∙ 较高的成膜质量，与衬底附着力好；●∙∙∙∙∙∙∙ 可控性好，具有较高的沉积速率；●∙∙∙∙∙∙∙ 可溅射沉积具有不同蒸汽压的合金与化合物；●∙∙∙∙∙∙∙ 成本较低，重复性好，可实现规模化大面积生产。
本贴对一般性溅射过程原理部分从略，其详细介绍可参考文献[147-150]，而主要结合制备AZO薄膜的情况，重点对磁控靶构造、磁路设计和部分表观工艺参数（external parameters）与微观/等离子体参数（plasma parameters）的关系做一简要评述。
中科院力学所科技成果——高能脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术及工程应用
中科院力学所科技成果——高能脉冲磁控溅射（HiPIMS）技术及工程应用技术介绍及特点高能脉冲磁控溅射技术是利用较高的脉冲峰值功率和较低的脉冲占空比来产生高溅射金属离化率的一种磁控溅射技术。
力学所引进德国huttinger电源，与等离子体淹没离子注入沉积（PIII&D）方法相结合，形成一种新颖的成膜过程与质量调控技术，是可应用于大型矩形靶的离化率可控磁控溅射新技术，填补了国内在该方向的研究空白。
将高能冲击磁控溅射与高压脉冲偏压技术复合，利用其高离化率和淹没性的特点，通过成膜过程中入射粒子能量与分布的有效操控，实现高膜基结合力、高品质、高均匀性薄膜的制备。
同时结合全新的粒子能量与成膜过程反馈控制系统，开展高离化率等离子体发生、等离子体的时空演变及荷能粒子成膜物理过程控制等方面的研究与工程应用。
其核心技术具有自主知识产权，已申请相关发明专利两项。
该项技术对实现PVD沉积关键瓶颈问题的突破具有重大意义，有助于提升我国在表面工程加工领域的国际竞争力。
如在交通领域，该技术用于汽车发动机三部件，可降低摩擦25%，减少油耗3%；机械加工领域，沉积先进镀层可使刀具寿命提高2～10倍，加工速度提高30-70%；综上所述，该装备系统将在卫星通讯、等离子物理、新材料等领域具有重要的工业应用价值。
高能脉冲磁控溅射等离子体发生与成膜控制平台工作中的高能脉冲磁控溅射靶应用领域工模具高温涂层：汽车、航空航天、军事等先进制造行业应用稀土铝耐蚀薄膜：NdFeB磁铁行业环保涂层应用太阳能薄膜：光伏发电及新能源领域应用生物工程薄膜：生物医用领域应用技术成熟度及应用案例技术成熟度：中试阶段应用案例1：与长春一汽开展合作。
中科院力学所采用高能脉冲磁控溅射技术及多弧离子镀技术开发了TiCN、AlCrN、CrAlSiN、DLC 等系列三元、四元高硬高温涂层，应用于长春一汽的压铸模具、热锻模具，可使其加工寿命提高3-5倍以上，尤其是含钇高温涂层，在国内率先实现了800-1200℃环境下热锻模具的薄膜工程应用。
磁控溅射的名词解释
磁控溅射的名词解释磁控溅射是一种现代先进的薄膜制备技术，它利用离子化的金属原子或分子沉积在材料表面形成均匀而致密的薄膜。
这项技术的应用领域广泛，包括电子元件、太阳能电池、显示器、传感器等，具有优异的薄膜质量和高度可控的成膜过程。
磁控溅射的工艺过程如下：首先，将待沉积的金属或合金样品（称为目标材料）放置在真空室中，并设定适当的工艺参数，如沉积速率、温度等。
然后，通过将真空室抽成一定的真空度，以便在真空中进行溅射。
接下来，施加一定强度的磁场，并在目标素材表面附近放置一个靶极。
这样，当氩离子加速到一定能量后，撞击目标材料表面，使得它释放出离子化的金属原子或分子。
最后，这些离子化的金属原子在磁场的作用下，被引导到基板材料表面，形成一层薄膜。
磁控溅射的独特之处在于其高度可控的薄膜成膜过程。
通过调节工艺参数，例如沉积时间、温度、压力和靶极材料等，可以获得不同的薄膜性质，如厚度、硬度、晶粒度等。
此外，磁场的存在使得目标材料释放出的离子在沉积过程中更易定向，使薄膜成膜更加均匀。
这种可控性不仅能够满足各种应用需求，还可以优化薄膜的功能和性能。
磁控溅射技术具有重要意义的一个方面是其在电子工业中的广泛应用。
在集成电路和芯片制造过程中，磁控溅射可以制备金属导线、电极和隔离层等薄膜元件，用于电路的连接和保护。
此外，磁控溅射还可以制备透明导电膜，用于触摸屏、液晶显示器和光伏电池等光电器件。
这些应用不仅要求薄膜成膜的高质量和可控性，还需要满足特定的电学、光学和机械性能标准。
在太阳能电池领域，磁控溅射可以利用其高度可控的薄膜成膜技术制备多层结构的太阳能电池薄膜。
这种薄膜可以有效吸收和转换太阳光的能量，并将其转化为电能。
磁控溅射技术的应用使得太阳能电池具有更高的光电转换效率和更长的寿命，为可再生能源的发展提供了有力支持。
磁控溅射技术也在光学镀膜领域得到广泛应用。
通过沉积抗反射膜、反射膜和分光镜片等薄膜，可以优化光的传输和反射等特性，提高光学设备的性能和效率。
高功率脉冲磁控溅射 涂层结合力
高功率脉冲磁控溅射涂层结合力
高功率脉冲磁控溅射（High Power Pulsed Magnetron Sputtering，HPPMS）是一种溅射技术，通过在溅射过程中加入高功率脉
冲电源来实现。
这种溅射技术具有较高的离子密度和能量，可以在涂层表面形成致密、紧密的结构，从而提高涂层的结合力。
涂层的结合力主要取决于多个因素，包括基材表面质量、溅射功率和能量、靶材的性质以及溅射气体的种类等。
HPPMS溅
射技术通过增加脉冲功率，在溅射过程中产生更多的离子和高能量离子，这些离子能够更好地击打基材表面并在涂层表面形成更致密的结构。
由于这种结构的致密性，涂层与基材之间的结合力也会增强。
此外，HPPMS溅射技术还可以提供更高的脉冲频率和较长的
脉冲宽度，从而使得离子在溅射过程中能更好地扩散到基材表面并形成更为均匀的涂层结构。
这也有助于提高涂层与基材之间的结合力。
总而言之，高功率脉冲磁控溅射技术通过产生高能量离子和形成致密的涂层结构，可以显著提高涂层的结合力。
这种溅射技术在应用上具有很大的潜力，可以用于增强材料表面的性能和提高涂层的质量。
磁控溅射法原理
磁控溅射法原理
磁控溅射法是一种常用的薄膜制备技术，它通过利用磁场控制离子在真空中运动来实现材料离子化和沉积。
磁控溅射法的基本原理如下：首先，通过加热材料将其转化为蒸气或离子状态。
随后，通过在真空室中施加磁场，使得磁场力线和离子运动方向垂直，从而形成所谓的“磁镜效应”。
这种磁镜效应可以阻止离子撞击到溅射靶材表面，从而使溅射源中的原子以准平行的方式射出。
在磁控溅射过程中，靶材的离子化和溅射是基于靶材与离子的相互作用力。
当离子击中靶材表面时，一部分离子将被散射回真空室中，形成所谓的“背景气体”。
而另一部分离子则进一步穿透靶材表面，将表面的原子或分子击出，并沉积在底板上形成薄膜。
这种沉积过程可以得到均匀、致密、具有良好结晶性的薄膜。
磁控溅射法有许多优点，例如可以控制薄膜的成分、结构和性能；可以在各种材料上制备薄膜；具有较高的沉积速率和较好的沉积效率等。
因此，磁控溅射法被广泛应用于各种领域，如光学、电子、材料科学等。
hipims磁控溅射原理
hipims磁控溅射原理
hipims磁控溅射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。
脉冲
-1-磁控溅射技术广泛应用于薄膜制备领域，可以制备工业上所需要的超硬薄膜、耐腐蚀耐摩擦薄膜、超导薄膜、磁性薄膜、光学薄膜，以及各种具有特殊电学性能的薄膜等[1~3]。
但传统的磁控溅射处理技术有很多的局限性，例如，直流磁控溅射靶功率密度受靶热负荷的限制，即当溅射电流较大时，过多的阳离子对靶进行轰击使溅射靶过热而烧损。
所以，传统的直流磁控溅射的溅射电流不能太大，一般在0.3~1A左右，溅射靶功率密度在50W/cm2。
近年来国外发展起来了一种高速率溅射—高功率脉冲磁控溅射(high power impulse magnetron sputtering(HIPIMS))技术，大大弱化了这种限制。
高功率脉冲磁控溅射的峰值功率是普通磁控溅射的100倍，约为1000~3000W/cm2，溅射材料离化率极高，且这个高度离子化的束流不含大颗粒。
对于大型磁控靶，更是可以产生兆瓦级溅射功率。
由于脉冲作用时间在几百微秒以内，故平均功率与普通磁控溅射相当，这样就不会增加对磁控靶冷却的要求。
一般溅射材料能级只有5~10电子伏特，而高功率脉冲磁控溅射材料能级最大可达100电子伏特。
高功率脉冲磁控溅射的瞬时功率虽然很高，但其平均功率并不高，一般在600W左右。
为了进一步提高脉冲磁控溅射的溅射速率，可以采用两步脉冲，第一步脉冲的功率密度与普通脉冲溅射相当，第二步则达1000~3000W/cm2。
但是，高功率脉冲磁控溅射存在打弧现象和脉冲起辉延迟。
为解决这些问题，近几年又发展了高功率复合脉冲磁控溅射技术，这种技术是将直流磁控溅射和高功率脉冲磁控溅射叠加起来。
其中的直流磁控溅射部分有两个作用：第一、离子预离化，使脉冲到来时脉冲起辉容易，缩短脉冲起辉延迟时间；第二、提够一个持续的直流溅射功率，提高了磁控溅射的平均功率。
所以，高功率复合脉冲磁控溅射同时具有直流磁控溅射和脉冲磁控溅射的优点。
现在，高功率脉冲磁控溅射技术已成为全世界磁控溅射领域的研究前沿和研究热点，高功率复合脉冲磁控溅射更是倍受关注。
平面靶原理
平面靶原理磁控溅射技术是目前最重要的工业化大面积真空镀膜技术之一。
溅射技术的历史发展如图3-1所示，从中可以看出发展的驱动力主要来自：降低工艺成本、解决工艺难题和满足进一步提高薄膜性能的工艺参数优化。
前者关注于靶材利用率、沉积速率、薄膜均匀性以及溅射过程稳定性等方面的问题；后者由于低能离子轰击在薄膜沉积过程中的重要作用，主要要求增加溅射原子离化率和能独立控制/调节微观等离子体工艺参数等，以更好地满足实际镀膜工艺中的多种需求。
其中，HIPIMS：高功率脉冲磁控溅射high power impulse magnetron sputtering，MFMS：中频磁控溅射middle frequency magnetron sputtering，CFUBMS：闭合场非平衡磁控溅射closed field unbalanced magnetron sputtering，UBMS：非平衡磁控溅射unbalanced magnetron sputtering，IBAMS：离子束辅助磁控溅射ion beam aiding magnetron sputtering，HCM：空心阴极磁控溅射hollow cathode sputtering，ICPMS：感应耦合等离子磁控溅射inductively coupled plasma magnetron sputtering。
（一）磁控溅射工艺原理相对于其它的制备工艺（如CVD、PLD、Spray pyrolysis等），磁控溅射是目前制备薄膜最为常用的方法之一。
概括起来磁控溅射主要具有如下优点[20]：较低的制备温度（可室温沉积）；较高的成膜质量，与衬底附着力好；可控性好，具有较高的沉积速率；可溅射沉积具有不同蒸汽压的合金与化合物；成本较低，重复性好，可实现规模化大面积生产。
本贴对一般性溅射过程原理部分从略，其详细介绍可参考文献[147-150]，而主要结合制备AZO薄膜的情况，重点对磁控靶构造、磁路设计和部分表观工艺参数（external parameters）与微观/等离子体参数（plasma parameters）的关系做一简要评述。
磁控溅射基本原理
磁控溅射基本原理
嘿，朋友们！今天咱来唠唠磁控溅射这玩意儿的基本原理。
你说这磁控溅射啊，就好比是一场奇妙的“粒子舞会”！在这个“舞会”里，各种粒子可都活跃得很呢！有那被激发的原子啦，还有带着能量的离子呀。
想象一下，有个靶材，就像是舞台的主角。
然后呢，离子们就像一群热情的观众，“嗖”地冲上去和靶材来个亲密接触。
这一接触可不得了，就把靶材上的原子啊啥的给撞下来了，这些被撞下来的就像舞台上飘落的彩纸屑一样，纷纷扬扬地散落开来。
这还不算完呢！在这个过程中，还有磁场这个神秘的“指挥家”在发挥作用。
它就像是有一双神奇的手，把这些粒子们指挥得团团转，让它们按照特定的路线和方式运动。
有了磁场的加入，这场“粒子舞会”就更加精彩啦！
咱再打个比方，这磁控溅射就好像是做蛋糕。
靶材是面粉，离子是鸡蛋，磁场呢就是搅拌器。
只有它们完美配合，才能做出一个美味的蛋糕，也就是得到我们想要的溅射产物。
那这磁控溅射有啥用呢？哎呀，用处可多啦去了！可以用来给各种材料镀膜呀，让它们变得更漂亮、更耐用。
比如说手机屏幕，很多就是通过磁控溅射镀上一层特殊的膜，让屏幕更耐磨、更清晰。
而且哦，这磁控溅射的技术还在不断发展呢！就像我们人一样，不断学习、不断进步。
说不定哪天，它又会给我们带来什么惊人的新应用呢！
总之呢，磁控溅射这东西真的很神奇，很有趣！它就像是一个隐藏在科学世界里的宝藏，等待着我们去挖掘、去发现。
大家可别小瞧了它呀，说不定它以后会在我们的生活中发挥更大的作用呢！你说是不是？。
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：0335******* 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。
HiPIMS——高功率脉冲磁控溅射技术
HiPIMS——高功率脉冲磁控溅射技术
佚名
【期刊名称】《工具技术》
【年(卷),期】2011(45)7
【摘要】硬度、韧性和附着力是加工高硬度材料、高速和干式切削刀具PVD（物理气相沉积）涂层最重要的特征。
随着被加工材料的发展和提高，特别是超硬及难加工材料、容易应力硬化的材料以及具有低热导性的材料，刀具涂层除了具有上述性能外，还需有较高的热稳定性和氧化稳定性。
为此，
【总页数】1页(PI0007-I0007)
【关键词】磁控溅射技术;高功率脉冲;高硬度材料;难加工材料;物理气相沉积;刀具涂层;氧化稳定性;切削刀具
【正文语种】中文
【中图分类】TG174.45
【相关文献】
1.2019高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜技术与应用会议将在兰州召开 [J], 无;
2.高功率脉冲增强磁控溅射技术（HIPIMS＋） [J],
3.高功率脉冲磁控溅射技术制备掺氮类金刚石薄膜的磨蚀性能 [J], 沈永青; 张志强; 廖斌; 吴先映; 张旭; 华青松; 鲍曼雨
4.2021高功率脉冲磁控溅射技术与应用专题会议通知(第一轮) [J],
5.2019高功率脉冲磁控溅射技术与应用会议第一轮通知 [J], 无
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大功率脉冲磁控溅射器原理
大功率脉冲磁控溅射器工作原理说起这个大功率脉冲磁控溅射器（我们四川人喊的“高功率脉冲溅射机子”），它的工作原理还是相当有讲究嘞。
这个机子，它主要是靠高功率的脉冲电源来工作。
晓得啥子叫脉冲电源不？就是那种短时间内能够给出大功率的电。
这种电源，它在一个周期里头，有正电压和负电压两个阶段。
在负电压阶段，电源就开始溅射靶材，把材料喷到要镀的物件上。
而在正电压阶段，就引进电子，把这些累积在靶面上的正电荷给中和掉，还能把靶面清洁干净，露出金属本色。
这个高功率脉冲电源，它的好处可不少。
因为脉冲时间短，所以能在极短时间内给出极高的功率，产生大量的离子和电子，让等离子体密度大大提高。
这样一来，溅射出来的材料就更多，而且质量也更好，能形成致密均匀的薄膜。
而且，这个机子还能调节脉冲参数，比如脉冲持续时间、间隔时间和峰值功率这些，来控制等离子体的密度和能量分布。
这样一来，就能根据不同的需要，来优化薄膜的沉积过程。
另外，这个机子里头还有磁场，能增强电子在靶材表面的运动，提高溅射效率。
还有真空腔体，提供低压环境，让等离子体稳定运行。
再加上精确的气体流量控制系统和基片加热系统，就能让薄膜的质量和性能更上一层楼。
所以说，这个大功率脉冲磁控溅射器，它的工作原理是相当复杂和精妙的。
通过调节各种参数，就能实现高质量的薄膜沉积，这在工业上可是大有可为嘞。
磁控溅射法
磁控溅射法
磁控溅射法是一种物理学术语，又称磁控溅射质谱（MS）技术，
它是一种用于离子密度分析和分子数量分析的常用技术。
它能够将原
始样品加热分解成原子和分子，通过磁场加速器将其加速到电离态，
然后将其分解得到原子和分子，并用特定的化学反应来生成合成的化
合物。
磁控溅射法的研究应用可以追溯到上世纪六十年代，但它目前
仍然是一种很重要的分析技术。
使用这种技术，可以获得质谱中质量数据和活性数据，用于分析
和诊断样本中的特定分子。
通常，为了获得有用的信息，研究者设置
了特定的实验参数，用来控制离子的强度，频率，磁场的强度等因素，这些参数直接影响结果的准确性和可靠性。
同样，对于特定的化学反应，需要使用正确的参数去激发和操纵结构动力学，也可以为研究者
提供正确的结果。
磁控溅射技术能够获得原子和分子的高分辨率质谱数据，从而为
研究者提供有效的信息。
它被广泛应用于生物医学研究，分子生物学
研究，分析化学研究，物质特征描述和药物发现等多个领域，并已经
取得了重要的应用和成果。
同时，磁控溅射微量质谱也常用于质量控
制和定量分析，以及结构识别和鉴定物质的分子组成等诸多功能，这
些功能的使用也得到了持续的发展。
HIPIMS,HIPIMS+ 大功率脉冲磁控溅射
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➢ To increase deposition rate of sputtering process
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磁控溅射的基本原理
磁控溅射的基本原理磁控溅射（Magnetron Sputtering）是一种常用的薄膜沉积技术，它利用磁场作用下带电粒子与靶材表面碰撞的原理，将靶材上的原子或分子从靶材表面剥离，并沉积在基板上，形成所需厚度的薄膜。
下面将详细介绍磁控溅射的基本原理。
磁控溅射的基本原理可以分为三个过程：离子的生成，离子的传递和离子的沉积。
首先是离子的生成。
在磁控溅射的装置中，有一个靶材和一个被溅射物质传递靶表面的惰性气体（如氩气）的环境。
当引入氩气后，通过高频或直流的电压，靶材上的电子和离开靶材的惰性气体分子相互碰撞，产生等离子体。
在等离子体中，极少数氩气离子经过碰撞获得足够的能量，径直飞向靶材表面，并撞击靶材表面的原子或分子。
接下来是离子的传递。
在磁控溅射的装置中，靶材和基板之间存在一个较大的电势差，离开靶材的离子被电场加速，并通过磁场的约束，在磁场中做环状运动。
这个磁场通常由两组磁铁产生，其中一组产生定向的磁场，另一组产生短距离的磁场。
定向的磁场使离子在垂直于靶表面的方向上形成拉平的运动轨迹，而短距离的磁场使离子在平面上做环状运动。
这样，离子在磁控溅射装置中可以延长从靶材到基板的传输时间，增加碰撞次数，提高沉积效率。
最后是离子的沉积。
离子在经过磁场约束后，到达基板表面。
由于离子的能量较高，当离子与基板表面的原子或分子相碰撞时，会将靶材上的原子或分子剥离并沉积在基片上，形成薄膜。
同时，由于基板表面上的原子或分子还存在较高的热振动能量，使得沉积的原子或分子可以有效地扩散到基板的表面，并与其他原子或分子相互结合，形成致密的薄膜结构。
总的来说，磁控溅射的基本原理是利用磁场作用下的离子传输和离子的沉积过程。
通过调节磁场强度、气体压强、靶材和基板的距离等参数，可以控制离子能量和角度等，从而实现对薄膜沉积过程的精确控制。
磁控溅射技术具有高沉积速率、较高的沉积温度、良好的薄膜质量和较好的控制能力等优点，在光电、显示、信息存储和微电子等领域得到了广泛应用。
高功率微脉冲磁控溅射制备氮化钛薄膜及其腐蚀性能研究
上沿举例靶面 80mm，伴随平面不锈钢片（204）置于底部，距离 靶面约 140mm。沉积过程中，先通入氩气至 1.2Pa，沉积 10 分钟 的 Ti 金属 ；此后，2sccm 的氮气引入反应室，沉积 1 个小时。在 此过程中，电压调整为 750V，脉冲宽度为 150 微秒 +300 微秒， 占空比 31%，平均电流 0.5A，脉冲电流 20A。 1.2 测试方法
中国科学院兰州化学物理研究所开发了具有双输出的对称 双极高功率微脉冲（Bi-MPP）磁控溅射技术，沉积速率可达传统 磁控溅射的 2 倍以上。Bi-MPP 磁控溅射技术是一种全新的薄膜 沉积技术，其潜在应用包括新型光学薄膜、光电磁薄膜、工具、 模具、机床、汽车、航空航天等领域关键部件的固体润滑薄膜等， 以应对装备节能减排、环保方面严苛要求以及不断提升的高精 度、高可靠性和长寿命方面的高标准要求。
采用扫描电子显微镜 (FE-SEM，JSM-6701F，日本 )，配备能 量色散 X 射线能谱 (EDX，JSM5600LV)，来研究薄膜断面形貌和 元素组成。用光学显微镜研究腐蚀前后不锈钢和 TiNx 薄膜的表 面形貌变化。用 X 射线衍射（XRD）来测定薄膜的结构。
耐蚀实验通过电化学工作站 (μ-Autolab III，瑞士 Metrohm) 进行，为模拟 PEMFC 的工作环境，电解液为 0.5MH2SO4+2ppm HF，或 3.5wt% 通空气。甘汞电极为参比电极，1 cm2 铂片为对电 极，镀膜不锈钢板与工作电极相连，动电位极化电位选取范围 为 -0.6V 到 1.2V，速率 20mV/s，样品与电解液接触面积为 0.785 cm2。恒电位极化电压 1.0V。所有电化学试验前，三电极系统运 行 30 min 稳定开路电位。
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60
50
Sum of Ar++Ar+++Ti++Ti+++N++N++=100%
Ratio of N+ to N2+ is significantly higher in a HIPIMS discharge than in (pulsed) DC discharge. More reactive N species.
6
Results - Roughness AFM 30x30µm
A70 Arc -70V bias
2D1H75 HIPIMS -75V bias
2D1H95 HIPIMS -95V bias
Significant improvement in surface roughness
Technology for you
HVPL
3000 2000
E /G P a
No definite trend for E modulus – possible differences due to changes in Microstructure.
1 Arc
2 Arc
1 Spu
2 Spu
3 Spu
Sample
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Discharge Voltage /V
-1500
2000 1800
1400 1200 1000 800 600 400 200 0
-2000 -50
0
50
100
150
200
Time /µs
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Discharge Current /A
1600
HIPIMS Plasma composition in ArN2
Sample : polished M2 HSS Target : 50/50 at% AlTi Dep. Temp. : 450-520oC Film thickness : 2-3µm Full load in chamber, Three fold rotation
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700 µs
1
1
2
2
Time
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Hipims+ Bias issues
• Provide an additional constant voltage power supply, which can supply the required peak current at the required constant voltage. (Arc handling) • Simple Solution: use capacitor as additional CV-power supply. • Hauzer Patent: electronic switching for a fast interruption of the arc current, capable to handle the current of the capacitor discharge circuit.
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2
Why High power pulse sputtering? Plasma technology with high % of the material to be deposited is ionized. Gaining control over stress - > Control microstructure/texture To create defect free coatings with good adhesion. To make coatings for tool and tribo applications which outperform arc deposited coatings To reduce thermal load of substrate To increase deposition rate of sputtering process
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Overview Presentation Hipims+ by Hauzer Why High Power sputter technology Hipims vs. Hipims+ Coatings: TiAlN, Cr2N Machine integration in Flexicoat®
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Results – Hardness and E modulus
HVPL and E
5000 4000 HVPL EIT GPa 700 600 500 400 300 200 1000 0 100 0
Hardness increases with increasing bias or addition of HIPIMS Cathodes.
2D1H75V HIPIMS -75V
2D1H95 HIPIMS -95V
Increase in ion energy (higher bias) with constant ion flux leads to densification of coating Columns coalesce to reduce number of boundaries Resputtering of film evident at growing surface
V
0
t0 1
t1 2
t2 3
t3 4
t4
t5 time
VLP VHP (1)
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VLP/(t1-t0)
(3)
(VHP-VLP)/(t3-t2)
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Hipims+ Pulse
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Hipims+ Pulsing possibilities
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Hipims+ Technology
Integrated MPP™ Technology
Modulated Pulse Power - MPP™ High power pulse magnetron sputtering technique Heart of technology is Multi-step DC pulse Voltage rise time control is key to enabling a long, stable, and high power pulse discharge Pulses widths of > 200 µsec up to 1.5 msec HIPIMS+ by Hauzer provides: Control of the gas to metal ion ratio Increased deposition rate (higher than HIPIMS) Improved target utilization
Technology for you
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Concept behind HIPIMS Technology
Capacitor discharge Peak pulse powers from kW to MW Low frequency (duty cycle) Pulse energy and voltage can be defined Pulse shape is determined by system configuration Cabling 0 Pressure Discharge Current Discharge Voltage -500 Sputtering atmosphere -1000 Magnetron design
Deposition source configuration 2 DC + 1HIPIMS 2 DC + 1HIPIMS 1 DC + 2 HIPIMS 2 x 4 CARC 2 x 4 CARC
Bias voltage -75V -95V -75V -40V -70V
Experiment overview
L c /N
60 40 20 0 A40 A70 2D1H75 1D2H75
Sample
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Conclusions HIPIMS TiAlN
It is possible to create AlTiN coatings by HIPIMS deposition with material properties similar to those deposited by cathodic arc similar hardness and E modulus. HIPIMS deposited coatings show some promising benefits as compared to arc deposited coatings lower roughness HIPIMS etching produces comparable adhesion values as compared to metal ion etching from an arc source – for both Ti and AlTi targets. HIPIMS technology is industrially feasible.
Smooth, very good adhering hard coatings for tool and tribo applications.