雙脈沖HiPIMS比傳統(tǒng)HiPIMS沉積速率提高近3倍

-引言-

一種新型的高功率脈沖磁控濺射(HiPIMS)技術(shù)，即放電由脈寬短、電壓高的引燃脈沖和脈寬長(zhǎng)、電壓低的工作脈沖2部分組成的雙脈沖高功率脈沖磁控濺射技術(shù)，目的是解決傳統(tǒng)高功率脈沖磁控濺射沉積速率低的問題。結(jié)果表明:雙脈沖高功率脈沖磁控濺射單位功率下CrN薄膜沉積速率為2.52μm/(h·kW)，比傳統(tǒng)高功率脈沖磁控濺射提高近3倍。

-點(diǎn)睛-

利用高的引燃脈沖電壓瞬間激發(fā)大電流，獲得高的等離子體密度，在較低電壓的工作脈沖下維持放電，減弱靶材對(duì)被離化粒子的回吸效應(yīng)。在同樣的輸入功率下獲得高的等離子體密度的同時(shí)，比傳統(tǒng)HiPIMS技術(shù)具有更高的沉積速率。

-內(nèi)容-

實(shí)驗(yàn)采用自行研制的多功能真空鍍膜系統(tǒng),該系統(tǒng)主要是由真空室、抽氣系統(tǒng)(包括機(jī)械泵、分子泵)、供氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等組成。實(shí)驗(yàn)選用純度為99.99%的Cr靶，Cr靶的尺寸為400mm×100mm×13mm。雙脈沖高功率脈沖電源系統(tǒng)引燃脈沖電壓最高可達(dá)2000V，工作脈沖電壓可達(dá)1000V，頻率為100~1500Hz，占空比連續(xù)可調(diào)。雙脈沖HiPIMS放電過程中，引燃脈沖電壓分別為530、550、570、590、610和630 V，脈寬為20 μs，工作脈沖電壓為 380 V，脈寬為 130 μs，頻率500 Hz。傳統(tǒng) HiPIMS 放電過程中 ，脈沖電壓為400 V，脈寬為150 μs，頻率500 Hz。

圖1雙脈沖HiPIMS不同引燃脈沖電壓及HiPIMS條件下CrN薄膜表面與截面形貌的SEM像
(a, b) 是傳統(tǒng)HiPIMS；雙脈沖HiPIMS (c， d)530 V， (e，f) 560 V， (g，h) 590 V， (i， j)620 V
從CrN薄膜的截面SEM像可以看出，傳統(tǒng)HiP‐ IMS條件下薄膜厚度為0.321 μm，雙脈沖HiPIMS條 件下，引燃脈沖電壓從 530 V 到 620 V，薄膜厚度分 別為0.326、0.438、1.76以及1.38 μm。

圖2雙脈沖 HiPIMS 引燃脈沖電壓及 HiPIMS 條件對(duì)CrN薄膜單位功率沉積速率的影響
單位功率下，傳統(tǒng)HiPIMS的沉積速率僅為0.60 μm/(h ·kW)，而雙脈沖HiPIMS的沉積速率均 高于傳統(tǒng)HiPIMS，特別是在引燃脈沖電壓為590 V 時(shí)，單位功率沉積速率達(dá)到2.52 μm/(h ·kW)，比傳統(tǒng) HiPIMS 的沉積速率提高近 3 倍。

-結(jié)論-
(1)雙脈沖HiPIMS使得同樣電壓下產(chǎn)生更高的放電電流。
(2)雙脈沖HiPIMS在相同功率下產(chǎn)生更高等離子體密度。
(3)雙脈沖HiPIMS比傳統(tǒng)HiPIMS提高近3倍沉積速率，而且薄膜更加致密，晶粒更加細(xì)小。
(4)獲得了一種高沉積速率的高功率脈沖磁控濺射技術(shù)，有望推動(dòng)高離化磁控濺射技術(shù)的進(jìn)步。

-參考文獻(xiàn)-

[1]吳厚樸,田修波,張新宇等.雙脈沖HiPIMS放電特性及CrN薄膜高速率沉積[J].金屬學(xué)報(bào),2019,55(03):299-307.