復合高功率脈沖磁控濺射技術(shù)的研究進展

李春偉，苗紅濤，徐淑艷，張群利

（1.東北林業(yè)大學 工程技術(shù)學院，哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學 林業(yè)工程博士后流動站，哈爾濱 150040；3.河南牧業(yè)經(jīng)濟學院 包裝與印刷工程學院，鄭州 450046）

隨著薄膜材料和薄膜技術(shù)研究和應(yīng)用的不斷深入，不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ρ∧さ闹苽浞椒ê褪褂眯阅芴岢隽烁吆透惹械男枨骩1—4]。其中，物理氣相沉積技術(shù)是薄膜制備的常用技術(shù)，它具有沉積涂層溫度較低（200 ℃）、應(yīng)用基材范圍廣以及膜層質(zhì)量容易控制等優(yōu)點[5—7]，其代表是磁控濺射技術(shù)和多弧離子鍍技術(shù)。磁控濺射技術(shù)具有沉積速率高的優(yōu)點，但其濺射金屬離化率較低（＜10%），且存在膜層不致密和膜基結(jié)合較差的缺點[8—11]。而多弧離子鍍技術(shù)雖然金屬離化率及等離子體密度都比較高，但往往存在金屬“大顆?！眴栴}，導致涂層表面質(zhì)量變差，嚴重影響了涂層的綜合性能[12—15]。

1999年瑞典的V.Kouznetsov等人[16]提出了高功率脈沖磁控濺射技術(shù)（HPPMS），該技術(shù)利用磁控靶的脈沖（50～200 μs/1500～2000 V）高功率耦合獲得了70%以上的濺射金屬離化率，并且可產(chǎn)生2價、甚至4價的金屬離子[16]，可以在較低溫度下獲得高化學劑量比的Al2O3、金剛石相的TiO2[18]，膜基結(jié)合力可以和陰極弧相當（Lc=68 N）[19]，等離子體繞射性好、膜層厚度均勻[20]等。后來一些研究小組將HPPMS技術(shù)改稱為高功率脈沖磁控濺射技術(shù)（HIPIMS）。2011年，美國人 Anders[21]給出了HIPIMS兩個層面上的含義：在技術(shù)層面上，HIPIMS是一種峰值功率超過平均功率2個數(shù)量級以上的脈沖濺射，并且靶面峰值功率密度超過107W/cm2；在物理層面上，HIPIMS是一種濺射金屬靶材高度離化的脈沖濺射技術(shù)，并且自濺射的過程完全由金屬離子維持的自濺射所主導。

HIPIMS作為一門新興的電離化磁控濺射技術(shù)，在國際上已成為研究熱點，備受歐美學者關(guān)注，但國內(nèi)研究還處于初期階段。HIPIMS經(jīng)過十余年的發(fā)展，其技術(shù)局限性也慢慢凸顯出來，除了設(shè)備的昂貴，最致命的問題是沉積速率太低，如何改善HIPIMS放電行為，進而提高HIPIMS的沉積速率，成為該領(lǐng)域的熱點和難點問題。本文在總結(jié)HIPIMS優(yōu)勢和不足的基礎(chǔ)上，綜述了近年來復合HIPIMS的形式與特征，并從復合HIPIMS技術(shù)的放電行為、離子輸運過程以及制備膜層的結(jié)構(gòu)與性能等方面進行了綜述。

1 HIPIMS的優(yōu)勢與不足

1.1 HIPIMS的優(yōu)勢

一方面，HIPIMS放電時電離出大量的金屬（靶材）離子，在真空室內(nèi)形成高密度的等離子體；另一方面，可以利用基體處的負偏壓調(diào)制離子的能量，這樣在鍍膜時就可以獲得離子通量和離子能量都可調(diào)可控的等離子體束流并使其作定向沉積，進而對膜層質(zhì)量及鍍膜工藝產(chǎn)生許多有益的促進作用，包括高膜層致密度和平滑度，高膜基結(jié)合力，膜層厚度均勻性好，高等離子體密度所致的多元膜層反應(yīng)活性好以及鍍膜工藝可控性好（可不需加熱）等。

1.1.1 高膜層致密度和平滑度

與常規(guī)直流磁控濺射（DCMS）相比，HIPIMS放電具有較高的濺射金屬離化率，同時整個真空放電系統(tǒng)也具有較高的等離子體密度（可達1018m?3），相比 DCMS（1014～1016m?3）提高了 2～4 個數(shù)量級[22]，非常有利于薄膜的生長，薄膜在生長過程中的重復形核速率和遷移速率均可得到改善，進而提高了薄膜的致密度和平滑度。Mattias Samuelsson等人[23]研究了8種不同靶材（Al、Ti、Cr、Cu、Zr、Ag、Ta、Pt），分別采用HIPIMS和DCMS在相同的沉積工藝條件下制備金屬膜層。結(jié)果表明采用HIPIMS獲得的不同膜層的致密度要比 DCMS時的致密度高5%～15%，這歸因于HIPIMS放電時對膜層生長產(chǎn)生了較高能量的金屬離子轟擊作用。Mattias Samuelsson等人[24]分別采用DCMS和HIPIMS兩種方法制備了TiC薄膜，膜層截面形貌結(jié)果如圖1所示，可見采用 HIPIMS方法獲得的膜層光滑致密平整，而DCMS方法制備的膜層則呈現(xiàn)出較粗糙的表面狀態(tài)和粗大而疏松的柱狀晶組織結(jié)構(gòu)特征。

A.N.Reed等人[25]采用HIPIMS技術(shù)制備了鉿膜，在相同的沉積條件下制備的鉿膜的表面形貌照片如圖2所示，從圖中可以看出，相比DCMS技術(shù)，HIPIMS技術(shù)制備的鉿膜表面光滑、致密平整。

1.1.2 膜基界面結(jié)合狀況的改善

薄膜與基體之間的結(jié)合狀況和結(jié)合強度是評價薄膜質(zhì)量優(yōu)劣的重要性能指標，直接影響薄膜的綜合性能和服役壽命[26—27]。通常鍍膜前要對基體表面進行刻蝕清洗，一般可采用氬離子來清洗基體表面[28]，也可以采用金屬離子來清洗基體表面[29]，如可采用陰極弧技術(shù)產(chǎn)生金屬離子，但是陰極弧技術(shù)的致命缺點是存在大顆粒，從而可能使膜基界面結(jié)合強度變差。將HIPIMS技術(shù)應(yīng)用于鍍膜前的預(yù)處理過程實現(xiàn)了無大顆粒的金屬離子清洗，從而顯著提高了膜基間的界面結(jié)合強度。另一方面，DCMS放電時濺射金屬離化率不足1%，到達基體處的束流多為氬離子，且在負偏壓的作用下氬原子也可能會參與膜層沉積，這將導致沉積的薄膜產(chǎn)生晶格缺陷以及較高的殘余應(yīng)力，此時的膜基界面結(jié)合狀況較差。而HIPIMS放電系統(tǒng)中高密度的金屬等離子體將改善這一狀況。Hovsepian等人[30]先用HIPIMS產(chǎn)生的高密度 Cr+和 Ar+對 M2高速鋼基體進行預(yù)處理（濺射刻蝕），再用非平衡磁控濺射（UBMS）的方法沉積 CrAlYN/CrN膜層，結(jié)果表明經(jīng)HIPIMS預(yù)處理后的膜基界面結(jié)合較好，膜基結(jié)合力可達65 N。A.P.Ehiasarian等人[31]分別用HIPIMS和電弧結(jié)合濺射（ABS）方法在高速鋼上沉積了CrN基薄膜，先用HIPIMS和陰極弧技術(shù)在負偏壓1200 V下對基體進行金屬離子刻蝕，然后分別用HIPIMS 和 UBMS 方法沉積 2～3 μm 的 CrN 和CrN/NbN涂層，研究發(fā)現(xiàn)HIPIMS制備的CrN相對ABS制備的多孔柱狀結(jié)構(gòu)要致密很多，并且膜基結(jié)合強度達到了ABS制備的水平。C.Reinhard等人[32]在304L不銹鋼和M2高速鋼上用UBMS制備了超晶格CrN/NbN薄膜，分別采用3種Nb離子預(yù)處理：HIPIMS，HIPIMS+HIPIMS沉積Nb中間層，陰極弧 CA+CA沉積 Nb中間層。研究發(fā)現(xiàn)HIPIMS預(yù)處理可以獲得干凈無缺陷的界面和致密無孔的薄膜，局部外延生長使得結(jié)合力高于陰極弧時的膜基結(jié)合力，并且30 nm厚的中間層可以進一步增加膜基結(jié)合力。M.Lattemann等人[33]采用HIPIMS預(yù)處理鋼表面可以增加膜基結(jié)合力，由于它可以產(chǎn)生高的離子原子比，包括單電荷和雙電荷的離子，增加了到達基體的離子量。當施加負偏壓時，由于對基體表面的濺射清洗和在膜基界面處出現(xiàn)金屬離子混入，結(jié)合力也得到增強。偏壓為400 V和1200 V的預(yù)處理獲得較好的膜基結(jié)合力，臨界載荷為45 N和40 N，但是偏壓700 V處理后的膜基結(jié)合力較低。這是由于不同的物理機制作用的結(jié)果：偏壓為1200 V時是由于高能離子再濺射和離子轟擊清洗去除了氧化物鈍化層；偏壓為400 V時是由于柱狀晶結(jié)構(gòu)的純金屬沉積促進了薄膜的局部外延生長；偏壓為700 V時離子轟擊形成了納米晶的界面層，接下來的直流競爭生長導致結(jié)合力較弱。

1.1.3 復雜形狀工件表面膜層厚度均勻性的改善

當在復雜形狀工件表面沉積薄膜時，往往會遇到膜層厚度均勻性較差的問題。在常規(guī) DCMS鍍膜的過程中，等離子體的初始入射速度角分布和氣體散射作用決定了系統(tǒng)中等離子體的運動軌跡。因為DCMS過程中等離子體的主要成分為中性粒子，所以在鍍膜過程中中性粒子的運動呈現(xiàn)高度各向異性，表現(xiàn)為視線沉積過程，這稱為“遮蔽效應(yīng)”，由于正對陰極靶位置的沉積束流密度高，而側(cè)對陰極靶位置的沉積束流密度低，導致沉積的膜層厚度不均勻、多孔隙[34—35]和低覆蓋率。而對于 HIPIMS而言，靶材金屬濺射離化率高，而且高密度等離子體的離子輸運機制為橫向和縱向正交運動機制，這可以大大提高鍍膜時的繞射能力，能在一定程度上實現(xiàn)全方位均勻沉積，可在復雜形狀工件表面制備出厚度均勻結(jié)構(gòu)致密的膜層[36—37]。K.Bobzin等人[38]分別采用 DCMS和 HIPIMS方法在車刀表面制備了TiAlN膜層，得出采用DCMS方法時車刀正對靶位置和垂直于靶位置的沉積速率分別為 1.46μm/h和0.65 μm/h，而采用HIPIMS方法時該兩個位置處的沉積速率分別為1.46 μm/h和1.03 μm/h，此時沉積速率相差較小，表現(xiàn)出較好的厚度均勻性特征。J.Alami等人[38]等分別采用DCMS和HIPIMS方法在2 cm×1 cm的凹槽內(nèi)側(cè)面沉積了Ta薄膜，研究發(fā)現(xiàn)采用 DCMS時的膜層呈現(xiàn)傾斜而疏松柱狀晶組織形貌，而采用HIPIMS時的膜層為生長方向與界面相垂直且致密的柱狀晶組織。HIPIMS技術(shù)成功地消除了 DCMS鍍膜時的視線性而表現(xiàn)出較好的等離子體繞射性鍍膜能力，這也是由HIPIMS放電具有較高的濺射金屬離化率所致。

1.2 HIPIMS的不足

HIPIMS技術(shù)作為一種高離化率磁控濺射技術(shù)，具有膜層沉積過程可控性好，膜層性能（包括膜基結(jié)合力、力學性能、耐摩擦磨損性能及耐化學腐蝕性能等）大大改善的優(yōu)點。但是，從工業(yè)化技術(shù)應(yīng)用的角度來講，該技術(shù)存在的致命缺點是沉積速率太低，這可能是制約該技術(shù)發(fā)展的主要原因。此外，雖然該技術(shù)的離化率較常規(guī) DCMS的離化率高，但是對于某些低濺射率的金屬靶材（如 Ti、V、C等），其系統(tǒng)粒子離化率還有待于進一步提高，這也是限制該項技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

Samuelsson等人[23]研究了8種不同靶材在相同的平均功率下 HIPIMS和 DCMS放電時的沉積速率，發(fā)現(xiàn) HIPIMS放電時的沉積速率明顯低于DCMS時的沉積速率，其中，采用Ti靶鍍膜時的沉積速率最低僅為DCMS的30%，采用Cr、Zr和Al靶鍍膜時為DCMS沉積速率的47%～49%，采用Cu靶鍍膜時為DCMS沉積速率的60%，采用Ta、Pt和Ag靶鍍膜時為DCMS沉積速率的70%～85%。Konstantinidis等人[40]研究發(fā)現(xiàn)在相同的平均功率時，Ti 膜的沉積速率隨脈沖寬度的減小而增加，當脈寬由 20 μs減小到 5 μs時，沉積速率可由DCMS時的20%增加到70%。

針對HIPIMS沉積速率低的普遍現(xiàn)象，研究者們針對其原因展開了研究，多數(shù)研究者認為HIPIMS較低的沉積速率與負高電位的陰極靶對離子的回吸效應(yīng)有關(guān)[41—45]。Christie等人[46]研究分析出HIPIMS沉積速率低的原因是接近靶表面高離化率的濺射金屬離子被陰極靶所吸回。他們給出的解釋是：當濺射發(fā)生時，靶材金屬原子（M）被輸運到等離子體中并發(fā)生碰撞離化（M+），但由于靶電位較低，其中一部分在靶附近且沒有足夠動能的金屬離子（?M+）被陰極靶表面吸回，因此導致了到達基體的濺射金屬粒子減少。具體的靶回吸過程如圖3所示。

2 復合HIPIMS的發(fā)展

基于HIPIMS存在的上述問題，研究者展開了針對性的改進研究，以期發(fā)揮HIPIMS的優(yōu)勢，規(guī)避其技術(shù)缺陷。相關(guān)研究大體集中在兩個方面：其一，采用其他PVD技術(shù)與HIPIMS復合的方式來協(xié)同增強HIPIMS放電；其二，通過增加外部輔助裝置/設(shè)備來增強 HIPIMS的放電，從而改變金屬離子的輸運過程。針對HIPIMS開展的兩個方向的改進研究，在一定程度上達到了進一步提高濺射材料離化率、提高薄膜沉積速率或改善薄膜性能的目的。

2.1 復合其他物理氣相沉積技術(shù)的HIPIMS

2.1.1 復合直流磁控濺射的HIPIMS

研究者將HIPIMS技術(shù)與其他PVD技術(shù)進行復合，來改善 HIPIMS沉積速率低的問題。將HIPIMS與 DCMS復合，在沉積薄膜過程中因DCMS的沉積速率較高，在鍍膜時可獲得一個相對較高的沉積速率，同時還可以利用HIPIMS的濺射金屬離化率高的優(yōu)勢，進而形成了DCMS-HIPIMS復合技術(shù)。Q.Luo等人[47]采用閉合場非平衡磁控濺射方法，分別采用1個HIPIMS電源和3個DCMS電源對4個磁控靶供電來制備TiN硬質(zhì)膜，結(jié)果表明相比常規(guī)的4個DCMS電源的制備方法，采用1個HIPIMS電源+3個DCMS電源的復合方法制備膜層時的沉積速率在一定程度上有所增加，同時獲得的 TiN膜層殘余壓應(yīng)力顯著降低（由?6.0 GPa減小到?3.5 GPa），此外膜層的顯微硬度有一定程度的增加（由34.8 GPa增加到38.0 GPa）。

復合 DCMS技術(shù)后的 HIPIMS不僅在沉積速率方面有所改善，同時 DCMS對整個放電系統(tǒng)可起到預(yù)離化的效果，對提高HIPIMS在低氣壓下放電穩(wěn)定性與連續(xù)性方面也有一定的促進作用。Poolcharuansin等人[48]研究了復合 DCMS后的HIPIMS在低濺射率靶材（Ti靶）時的放電行為，研究發(fā)現(xiàn)當放電條件相同時，對于常規(guī) HIPIMS放電，當工作氣壓由0.62 Pa減小到0.1 Pa時，放電電流出現(xiàn)了大約60 μs的延時，但對于DCMS-HIPIMS放電，該延時幾乎消失，表明 DCMS的預(yù)離化作用可使DCMS-HIPIMS技術(shù)能夠在較低的氣壓下穩(wěn)定連續(xù)放電，具體放電電流波形如圖4所示。此外，研究還發(fā)現(xiàn) DCMS-HIPIMS放電時出現(xiàn)了多種高價態(tài)金屬離子，這對于獲得較高的膜層質(zhì)量極為有益。

DCMS-HIPIMS方法還可以改善膜層組織結(jié)構(gòu)和性能。Greczynski等人[49]采用DCMS-HIPIMS復合的方式制備了 Ti1-xAlxN涂層，發(fā)現(xiàn)當 HIPIMS分別施加于Ti靶和Al靶時的Ti1-xAlxN膜層表現(xiàn)出不同的組織結(jié)構(gòu)。當HIPIMS施加于Al靶時，膜層呈單相Ti1-xAlxN（x=0.55～0.60）立方晶體結(jié)構(gòu)，此時膜層硬度較高，為 30 GPa，殘余應(yīng)力較低，為0.2～0.7 GPa；當HIPIMS施加于Ti靶時，Ti1-xAlxN膜層呈立方和六方兩相晶體結(jié)構(gòu)，此時膜層硬度較低，僅為18～19 GPa，殘余應(yīng)力較高，達2.7 GPa。Paulitsch等人[49]采用DCMS-HIPIMS復合方式制備的 CrNHIPIMS/TiNDCMS多層膜層，獲得了較高的硬度（25 GPa）和較低的摩擦系數(shù)（0.05），并且該項復合技術(shù)在基體架多倍轉(zhuǎn)動的情況下具有較高的沉積速率，這對于滿足在復雜工件表面鍍膜的工業(yè)要求至關(guān)重要。

將 DCMS引入到 HIPIMS放電中，提高了HIPIMS放電的穩(wěn)定性以及沉積速率，但是相比單一的HIPIMS放電，損失了系統(tǒng)粒子離化率及系統(tǒng)的等離子體密度，也就意味著削弱了HIPIMS的優(yōu)勢，即DCMS-HIPIMS是在尋求離化率與沉積速率之間的平衡。

2.1.2 復合射頻磁控濺射的HIPIMS

射頻磁控濺射（RFMS）具有濺射速率高，濺射靶材適用范圍廣（既可濺射金屬靶材，又可濺射絕緣靶材）等優(yōu)點。研究者在制備膜層時采用HIPIMS與RFMS共濺射的方法，在獲得較高膜層沉積速率的同時，又可擴大HIPIMS鍍膜時選用靶材的范圍（金屬靶材和非金屬靶材），并且制備出綜合性能優(yōu)異的膜層。N.Holtzer等人[51]采用 Nb靶用HIPIMS電源供電而Si靶用RFMS電源供電的復合制備方法獲得了NbSi薄膜，結(jié)果表明該復合方法可在較低氣壓（0.1 Pa）下工作，同時也獲得了較高的沉積速率。與電子束物理氣相沉積（Electron Beam Physical Vapor Deposition，EBPVD）方法及 DCMS-RFMS復合方法相比，RFMS-HIPIMS制備的 NbSi薄膜具有更好的超導臨界溫度過渡效果和標準電阻率。RFMS-HIPIMS適合一些特定的鍍膜場合，如需使用一些非金屬靶材制備絕緣膜，但射頻電源的能耗及對人體的危害可能限制該項技術(shù)的推廣。

2.1.3 復合中頻磁控濺射的HIPIMS

中頻磁控濺射（MFMS）以兩個濺射靶為負載而交替工作，具有可有效抑制靶材弧光放電及靶表面中毒，適合制備復合膜層的優(yōu)點。研究者將HIPIMS與 MFMS復合，形成了 MFMS-HIPIMS復合方法，該方法具有以下優(yōu)點：充分利用了HIPIMS脈沖關(guān)的時段，可提高沉積速率；可在較低工作氣壓時工作，MF的預(yù)離化增強HIPIMS放電效果等。Olejní?ek等人[52]分別采用了HIPIMS、MFMS和 MFMS-HIPIMS三種方法制備了金紅石TiO2薄膜，研究發(fā)現(xiàn) MFMS-HIPIMS放電時可有效減少陰極電壓邊緣和電流開始之間的延時。上述三種方法所獲得的 TiO2薄膜均為純金紅石相，但MFMS-HIPIMS方法制備的 TiO2薄膜表現(xiàn)出最大的產(chǎn)生光電流的能力，并且MFMS-HIPIMS非常適宜在聚碳酸酯基體上制備 TiO2薄膜，這與該方法對基體較低的加熱粒子流和相應(yīng)的等離子體參數(shù)有關(guān)。

2.1.4 復合等離子體源離子注入與沉積的HIPIMS

等離子體源離子注入與沉積（PIII & D）常用來注入/沉積具有一定厚度且結(jié)合力要求高的膜層，但是該技術(shù)往往因采用脈沖陰極弧源作為金屬等離子體源而存在大顆粒的問題。將HIPIMS濺射靶源替代陰極弧源，可避免產(chǎn)生金屬液滴及大顆粒的問題。同時HIPIMS低沉積速率由濺射金屬離子被靶吸回所導致，只有將金屬離子有效地收集并輸運到基體附近，才可能減少沉積速率的損失?；贖IPIMS技術(shù)的高金屬離化率特征及PIII & D技術(shù)的實現(xiàn)原理，若在工件上施加負高壓，即可改變等離子體區(qū)間的電勢分布，在工件附近形成低電勢區(qū)，吸引金屬離子向工件運動，進而在一定程度上解決HIPIMS沉積速率低的問題。基于上述研究思想，田修波等人[53—54]提出了基于高功率脈沖磁控放電的等離子體注入與沉積技術(shù)（HIPIMS-PIII & D），該技術(shù)復合了HIPIMS和PIII & D兩種技術(shù)的優(yōu)點，制備的 CrN涂層具有優(yōu)于傳統(tǒng)磁控濺射的沉積速率，同時有效改善了膜基界面結(jié)合狀況，并在膜基界面處觀察到寬約40 nm的混合區(qū)，膜基結(jié)合力可高達59.9 N。

采用在 HIPIMS技術(shù)的基礎(chǔ)上復合其他 PVD技術(shù)，雖然在一定程度上提高了HIPIMS的沉積速率，但同時也犧牲了HIPIMS的高濺射金屬離化率的優(yōu)勢，而且其他技術(shù)的引入增加了鍍膜工藝控制的復雜性和可控性，鍍膜工藝過程難于重復和控制，從而限制了HIPIMS工業(yè)化推廣。

2.2 增加“輔助裝置”的HIPIMS

為改善金屬離子的離化和輸運角度，可以采取在真空室內(nèi)增加外部“輔助裝置”的方法來優(yōu)化HIPIMS。

2.2.1 增加感應(yīng)耦合等離子體裝置的HIPIMS

Konstantinidis等人[55]采用增加感應(yīng)耦合等離子體（ICP）的輔助裝置來增強 HIPIMS，并研究了ICP射頻功率對金屬離子輸運的影響。研究發(fā)現(xiàn)ICP-HIPIMS復合方法可增加基體對離子束流的收集，這對于提高沉積速率是有益的，并且收集的離子流以兩個連續(xù)脈沖的形式到達基體，基體電流密度隨射頻功率的變化結(jié)果如圖5所示。根據(jù)等離子體發(fā)射光譜的結(jié)果得出了第一個脈沖主要由氣體離子組成，而第二個脈沖主要由金屬離子組成，同時金屬離子流密度隨ICP供電功率的增加而增加，這可以最小化由自濺射和復合作用產(chǎn)生的沉積速率的減小，因為金屬離子由于在靶和基體之間缺少電子而不能離開磁控等離子體。

2.2.2 增加電子回旋共振裝置的HIPIMS

研究者采用電子回旋共振（ECWR）裝置輔助HIPIMS來改進該技術(shù)。Stranak等人[56]采用ECWR輔助增強 HIPIMS技術(shù)即 ECWR-HIPIMS，其中ECWR主要起預(yù)離化的作用，可使系統(tǒng)放電在低于常規(guī)HIPIMS一個數(shù)量級的氣壓（0.05 Pa）下維持穩(wěn)定，此時幾乎所有的濺射粒子處于高度離化狀態(tài)。ECWR-HIPIMS放電過程中隨著工作氣壓的減小，電子溫度增加。此外，該研究小組[57]還利用該方法制備了TiO2薄膜，發(fā)現(xiàn)由于ECWR的預(yù)離化作用可使鍍膜工作在較低氣壓下（0.075 Pa）進行，從而使HIPIMS技術(shù)可在一個更寬廣的工藝范圍內(nèi)調(diào)制濺射粒子的能量，進而達到調(diào)控 TiO2薄膜結(jié)構(gòu)及性能的目的。

2.2.3 增加外部磁場的HIPIMS

研究者采用增加外部電磁場來輔助增強HIPIMS放電，進而達到改善HIPIMS技術(shù)的目的。外部磁場的作用主要體現(xiàn)在約束電子/控制電子運動方面，HIPIMS脈沖開啟時產(chǎn)生大量的電子，但這些電子會直接飛向真空室壁，在真空室內(nèi)存活幾率較低。外部磁場的應(yīng)用可提高HIPIMS放電產(chǎn)生的大量電子的利用效率，減少其直接向真空室器壁的逃逸，從而增加電子與真空室內(nèi)中性粒子的碰撞離化幾率，這對于改善HIPIMS沉積速率及提高膜層質(zhì)量都有益。J.Bohlmark等人[58]在真空室內(nèi)鋁陰極靶前20 mm處放置一個圓柱狀電磁線圈，研究了該電磁場在勵磁電流分別為 3 A和 6 A時對HIPIMS沉積速率的影響，發(fā)現(xiàn)放置電磁場后，正對靶的膜層沉積速率提高了80%（線圈電流6 A），但是由于電磁場的約束作用，側(cè)對靶的樣品沉積速率降低。牟曉東等人[23]采用在磁控靶外加同軸電磁線圈以及在磁控靶前安裝空心陰極裝置來提高HIPIMS沉積速率，研究發(fā)現(xiàn)采用該方法后，相比線圈電流0 A，當線圈電流為1 A時，Cu膜的沉積速率提高了 55.29%。畢明康等人[59]采用輔助電磁場增強HIPIMS放電，進一步提高了系統(tǒng)粒子的離化率，并利用該復合技術(shù)制備了TiAlN薄膜，研究發(fā)現(xiàn)：輔助電磁場可以顯著提高基體收集離子電流；磁場增強HIPIMS制備的TiAlN薄膜表面平整，表面粗糙度較?。惠o助磁場可以顯著提高薄膜的硬度和彈性模量，最大可達到32 GPa和391 GPa。

無論是采用ICP裝置和ECWR裝置，還是增加外部磁場等方法，在一定程度上均改善了HIPIMS技術(shù)的放電區(qū)間及等離子體輸運行為，并提高了HIPIMS的沉積速率，但是所使用的輔助裝置要么比較復雜、昂貴，要么能耗較高，均存在不易工業(yè)化推廣應(yīng)用的問題。

3 結(jié)語與展望

HIPIMS作為一種電離化物理氣相沉積技術(shù)具有很多突出的技術(shù)優(yōu)勢，是一種非常有前景的鍍膜技術(shù)，但是低沉積速率大大制約了其工業(yè)化應(yīng)用。雖然研究者們采用其他PVD技術(shù)或增加輔助裝置來增強 HIPIMS放電，并在一定程度上改善了HIPIMS在沉積速率等方面的問題，但是從工業(yè)化推廣應(yīng)用的角度而言，存在損失離化率或增加鍍膜工藝復雜性的問題。HIPIMS的較高濺射離化率主要與其放電時真空系統(tǒng)內(nèi)非常高的電子密度有關(guān)，但是如何有效利用真空室內(nèi)的電子，如何進一步提高系統(tǒng)粒子離化率的同時提高沉積速率，以及如何進一步優(yōu)化真空室內(nèi)磁場分布，是未來解決HIPIMS較低沉積速率并將其工業(yè)化推廣應(yīng)用的研究方向。