Page 14 - 《真空与低温》2025年第5期

王福贞：磁控溅射镀膜技术新进展 553

平衡磁控溅射靶接高功率脉冲磁控溅射电源。接 扫描电镜组织形貌图和原子力显微镜组织形貌
[34]
通电源后，工件（基片）和非平衡磁控溅射靶之间产 图 。图 31 [1-2， 37] 为分别用直流磁控溅射和 HiP-
生高密度的等离子体。 IMS 沉积的 ZrN 的扫描电镜表面组织图的对比。
从图 31 可以看出，用 技术沉积的膜层组织
HiPIMS
真空室
比用常规磁控溅射沉积得更细密。
等离子体 磁体
基片
气体入口

电阻器
磁环 泵
HV
（a）扫描电镜断面形貌 （b）原子力显微镜照片
图 28 HiPIMS 镀膜装置示意图
Fig. 28 Schematic of the HiPIMS device 图 30 HiPIMS 技术沉积的 CrN 薄膜的断面和表面形貌照片

Fig. 30 Cross-sectional and surface morphology images of CrN
（2）高功率脉冲磁控溅射镀膜主要参数
thin films deposited by HiPIMS technology
HiPIMS 电 源 峰 值 功 率 很 高 ， 可 达 到 1 000～

2
3 000 W/cm ，是普通磁控溅射的 100 倍。放电等离
18
−3
子体密度达 10 m 数量级。靶材离化率极高，溅
射 Cu 靶的离化率可达 70%，与阴极电弧离子镀的
离化率相当。在相同条件下，等离子体中的离子种 哈尔滨工业大学
2 μm 2 μm
类发生了变化。图 29 [1-2，34] 为镀 TiN 薄膜时的放电
（a）用直流磁控溅射 （b）用HiPIMS
照片（电压 800 V、脉宽 250 μs、频率 100 Hz、气压 沉积的薄膜 沉积的薄膜
0.5 Pa）。图 29（a）为传统直流磁控溅射放电的紫色
图 31 分别用直流磁控溅射和 HiPIMS 沉积的 ZrN
光，由光谱分析可知主要为氮气放电电离；图 29（b）
薄膜的 SEM 表面形貌
为 HiPIMS 放电时产生的蓝色光，光谱分析主要为
Fig. 31 SEM surface morphology of ZrN films prepared by DC
靶材金属 Ti 放电电离，这表明金属离化率较高，等
magnetron sputtering and HiPIMS
离子体中大部分为 Ti 离子。较高份额的高能离子
由于 HiPIMS 技术具有等离子体密度高、膜层
在沉积薄膜时有很多优点：可以提高薄膜质量，比
离子的活性高、膜层离子的能量高等很多优点，近
如密度和结合力；工件加偏压后绕射性好，可对复
些年来发展很快，在微钻、螺杆上沉积硬质薄膜，
杂形状工件进行沉积。
在管状零件的内部沉积 DLC 润滑膜，在柔性材料
表面沉积疏水膜等方面得到了广泛应用。我国生
产的 HiPIMS 电源已经达到很高水平 [38] ，具备灭弧
速度快、多重控制模式、多波形输出能力，可通过
手机终端远程调节至恒流/恒压、恒功率模式，并实
时监测输出电压、电流等工艺参数。
（a）直流磁控溅射以 （b）HiPIMS以
氮离子放电为主 钛离子放电为主
3 总结
图 29 直流和 HiPIMS 放电等离子体中离子成分照片 磁控溅射镀膜技术在国家高新技术与高端
Fig. 29 Photo of ion composition in DC magnetron sputtering
制造业发展中发挥了关键作用。磁控溅射新技术
and HiPIMS discharge plasma
的突破为高品质薄膜制备提供了新途径。其中，非
（3）高功率脉冲磁控溅射提高镀膜质量 平衡磁控溅射技术和高功率脉冲磁控溅射技术
HiPIMS 可 以 获 得 高 份 额 的 高 能 金 属 离 子 ， （HiPIMS）为提升耐磨零件与装饰镀膜质量开辟了
因此，所沉积的薄膜组织非常细密，性能优异。 有效路径；中频电源匹配孪生靶技术与反应气体控
图 30 [1-2，35-36] 为用 HiPIMS 技术沉积的 CrN 膜层的 制技术，为介质膜的高速高质量沉积提供了有力支