双脉冲HiPIMS比传统HiPIMS沉积速率提高近3倍

-引言-

一种新型的高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术，即放电由脉宽短、电压高的引燃脉冲和脉宽长、电压低的工作脉冲2部分组成的双脉冲高功率脉冲磁控溅射技术，目的是解决传统高功率脉冲磁控溅射沉积速率低的问题。结果表明:双脉冲高功率脉冲磁控溅射单位功率下CrN薄膜沉积速率为2.52μm/(h·kW)，比传统高功率脉冲磁控溅射提高近3倍。

-点睛-

利用高的引燃脉冲电压瞬间激发大电流，获得高的等离子体密度，在较低电压的工作脉冲下维持放电，减弱靶材对被离化粒子的回吸效应。在同样的输入功率下获得高的等离子体密度的同时，比传统HiPIMS技术具有更高的沉积速率。

-内容-

实验采用自行研制的多功能真空镀膜系统,该系统主要是由真空室、抽气系统(包括机械泵、分子泵)、供气系统、冷却系统以及控制系统等组成。实验选用纯度为99.99%的Cr靶，Cr靶的尺寸为400mm×100mm×13mm。双脉冲高功率脉冲电源系统引燃脉冲电压最高可达2000V，工作脉冲电压可达1000V，频率为100~1500Hz，占空比连续可调。双脉冲HiPIMS放电过程中，引燃脉冲电压分别为530、550、570、590、610和630 V，脉宽为20 μs，工作脉冲电压为 380 V，脉宽为 130 μs，频率500 Hz。传统 HiPIMS 放电过程中 ，脉冲电压为400 V，脉宽为150 μs，频率500 Hz。

图1双脉冲HiPIMS不同引燃脉冲电压及HiPIMS条件下CrN薄膜表面与截面形貌的SEM像
(a, b) 是传统HiPIMS；双脉冲HiPIMS (c， d)530 V， (e，f) 560 V， (g，h) 590 V， (i， j)620 V
从CrN薄膜的截面SEM像可以看出，传统HiP‐ IMS条件下薄膜厚度为0.321 μm，双脉冲HiPIMS条 件下，引燃脉冲电压从 530 V 到 620 V，薄膜厚度分 别为0.326、0.438、1.76以及1.38 μm。

图2双脉冲 HiPIMS 引燃脉冲电压及 HiPIMS 条件对CrN薄膜单位功率沉积速率的影响
单位功率下，传统HiPIMS的沉积速率仅为0.60 μm/(h ·kW)，而双脉冲HiPIMS的沉积速率均 高于传统HiPIMS，特别是在引燃脉冲电压为590 V 时，单位功率沉积速率达到2.52 μm/(h ·kW)，比传统 HiPIMS 的沉积速率提高近 3 倍。

-结论-
(1)双脉冲HiPIMS使得同样电压下产生更高的放电电流。
(2)双脉冲HiPIMS在相同功率下产生更高等离子体密度。
(3)双脉冲HiPIMS比传统HiPIMS提高近3倍沉积速率，而且薄膜更加致密，晶粒更加细小。
(4)获得了一种高沉积速率的高功率脉冲磁控溅射技术，有望推动高离化磁控溅射技术的进步。

-参考文献-

[1]吴厚朴,田修波,张新宇等.双脉冲HiPIMS放电特性及CrN薄膜高速率沉积[J].金属学报,2019,55(03):299-307.