高功率脈沖磁控濺射（HPPMS），也稱為高功率脈沖磁控濺射（HIPIMS）是基于磁控濺射沉積的PVD涂層技術(shù)。HPPMS利用kW / cm ²量級的極高功率密度在小于10％的低占空比（開/關時間比）下，以數(shù)十微秒的短脈沖（脈沖）為單位。HPPMS的顯著特征是濺射金屬的高度電離和分子氣體的高解離速率，這導致了沉積膜的高密度。電離和解離度根據(jù)峰值陰極功率而增加。該極限由放電從輝光到電弧相的過渡確定。選擇峰值功率和占空比，以保持類似于常規(guī)濺射的平均陰極功率（1-10 W / cm）。

HPPMS用于：

• 在涂層沉積之前對基底進行粘合力增強的預處理（基底蝕刻）
• 沉積具有高微結(jié)構(gòu)密度的涂層

HPPMS在很短的時間內(nèi)（通常為?100μs）使用向陰極提供的大能量脈沖。這需要非常不同類型的電源[1]。HPPMS工藝可將較大的低能量離子通量傳遞給基板。電源必須產(chǎn)生最高3 MW /脈沖的峰值功率，脈沖寬度在100到150μs之間。平均功率約為20 kW，頻率高達500 Hz。除了提供脈沖功率外，還必須進行電弧抑制。該過程利用了高能量脈沖產(chǎn)生的增強電離的優(yōu)勢。施加至靶材的功率密度約為1 –?3 kW / cm?²（與功率密度約為1 – 10 W / cm?^2的傳統(tǒng)磁控濺射相比）[2]。

由于增強的電離作用，可以使用HPPMS來完成晶體膜的生長以及控制其相組成[3]。沉積條件同樣很重要，但是電源的占空比和等離子體參數(shù)似乎有助于形成晶體結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)TiO?₂的金紅石相隨脈沖周期而增加，隨密度隨脈沖幅度而降低[3]。然而，其他研究人員沒有看到這種現(xiàn)象，僅獲得了非晶膜，而沉積了高結(jié)晶度的鈦[4]。HPPMS已沉積了高度結(jié)晶的ITO膜。

結(jié)果，HPPMS涂層應具有改善的摩擦學，光學，電學和環(huán)境性能。改善的微結(jié)構(gòu)也改善了光學性能[3,4,5-9]。眾所周知，折射率取決于光學涂層的密度。密度較小的涂層的折射率通常低于密度較高的涂層。TiO ₂涂層是依賴于密度的完美例子。這種材料的折射率可以在2.2 – 2.5之間變化，具體取決于密度。據(jù)報道，與直流磁控濺射膜相比，由HPPMS沉積的膜具有較高的折射率，如圖1所示[5]。在整個光譜上折射率較高。這些涂層的密度也為3.83 g / cm ³DC膜的密度為3.71 g / cm?³，表面粗糙度為1.3 nm，表面粗糙度僅為0.5 nm?。如果使用電源的最佳占空比，則TiO?_2涂層的折射率也很高，約為2.72?[3]。改善SiO?₂，ZnO，Al?₂?O?₃，Ta?₂?O?₅和ZrO?_2的光學性能電影也有報道[6,7,8]。這些結(jié)果令人印象深刻，但必須注意某些事項。與使用其他電源沉積的涂層相比，HPPMS涂層并不總是具有改進的性能[10]。光學常數(shù)總是在很大程度上取決于沉積條件，并且必須為每種材料和沉積系統(tǒng)確定最佳的一組條件。我看到平面磁控濺射膜也報道了很高的折射率。實際上，在某些情況下，中頻磁控濺射比HPPMS具有更好的性能[8]。

HPPMS工藝的另一個優(yōu)點應該是改善化學和環(huán)境穩(wěn)定性。銀涂層因缺乏化學和環(huán)境穩(wěn)定性而臭名昭著，特別是非常薄的涂層。盡管仍有許多測試要做，但HPPMS沉積的銀膜似乎在多層結(jié)構(gòu)中具有更高的穩(wěn)定性和光學性能[9]。

隨著密度和光滑度的提高，該工藝具有改善摩擦涂層性能的潛力[11-15]。具有致密的微觀結(jié)構(gòu)和光滑表面的涂層在許多應用中是優(yōu)選的，因為它增加了耐腐蝕和耐磨性，并減少了摩擦。諸如TiN，CrN _x，Cr?_x?N?_y和Ti?₃?SiC?_2的硬質(zhì)材料均已通過HPPMS沉積。與直流磁控濺射沉積相比，TiN涂層具有非常細的晶粒結(jié)構(gòu)[19]。CrN涂層甚至比UBM濺射涂層具有更好的微觀結(jié)構(gòu)。據(jù)報道硬度值接近25 GPa，滑動磨損系數(shù)從7降低到0.2 [15]。

HPePMS還沉積了VMeCN和CrN / NbN摩擦超晶格涂層[16,17]。這些結(jié)構(gòu)顯示出新的高硬度值和低COF。TiAlCN / VCN超晶格顯示出較高的硬度值（Hv = 2900 kg / mm?²）和0.42的中等較低的COF。CrN / NbN涂層顯示出增強的耐磨性和腐蝕保護性以及較低的表面粗糙度[16]。該過程中的一個重要步驟是用HPPMS沉積的V和Nb預處理基材。

幾種資源指出HPPMS膜應具有較低的機械應力[17]。雖然應力的測量結(jié)果不充分，但據(jù)報道CrN涂層的應力在3GPa附近[15] 23。在碳膜中測得的應力范圍為1.6 GPa至6.5 GPa [18]。在TiN涂層中也測得了低應力[19,20]。

HPPMS已被用于沉積低電阻率的ITO膜[21]，并顯示出有望總體上改善TCO的性能。ZnO：Al膜也已通過此過程沉積。幾乎所有相關報告都將HPPMS涂層與DC磁控濺射涂層進行了比較。圖2比較了HPPMS和在300 C下沉積的DC濺射膜的表面形態(tài)[22]。再次注意HPPMS膜的表面非常光滑。圖3比較了兩種方法（9a – DC和9b – HPPMS）沉積的電阻率膜。在一個O由DC方法來實現(xiàn)的電阻率₂為1sccm的流量為?3.2×10?^-3?Ω.cm（在本領域ITO的絕對狀態(tài)），而HPPMS方法的電阻率是3.1?×10?^-3?Ω.cm為相同的O?₂流。作者認為這是一個很大的差異，電阻率最低報道的值是1.35×10 ^-3?Ω.cm直流膜和?1.25 X10?^-3 Ω.cm為HPPMS膜。HPPMS的真正優(yōu)勢似乎在于涂層的光滑度，而HPPMS贏得了人們的青睞。

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參考：

1. D J Christie et al., 47th Annual Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2004) 113.
2. William D. Sproul, 50 years of Vacuum Coating Technology and the growth of the Society of Vacuum Coaters, Donald M. Mattox and Vivienne Harwood Mattox ed., Society of Vacuum Coaters (2007) 35.
3. R Bandorf et al., 50th Annual Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2007) 160.
4. J A Davis et al., 47th Annual Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2004) 215.
5. K Sarakinos et al., Rev. Adv. Mater. Sci, 15 (2007) 44.
6. S Konstantinidis et al., 50th Annual Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2007) 92.
7. W.D. Sproul, D.J. Christie, and D.C. Carter, 47th Annual Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2004) 96.
8. D A Glocker et al, Proceedings of the 48th Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2005) 53.
9. J Li, S R Kirkpatrick and S L Rohde, Presentation SE-TuA1, AVS 2007 Fall Technical Conference, October 14 – 19, 2007, Seattle WA.
10. D A Glocker et al., 47th Annual Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2004) 183
11. A P Ehiasarian et al., Proceedings of the 45th Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2002) 328.
12. J B?hlmark et al., Proceedings of the 49th Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2006) 334.
13. J Alami et al., Thin Solid Films 515 (4): 1731–1736.
14. A P Ehiasarian et al., Surface and Coatings Technology 163-164: 267-272.
15. J Paulitsch et al., Proceedings of the 50th Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2007) 150.
16. A P Ehiasarian et al, Proceedings of the 49th Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2006) 349.
17. W D Sproul, Proceedings of the 50th Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2007) 591
18. B M DeKoven et al. Proceedings of the 46th Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2003) 158
19. SE+PS-MoA1: R. Chistyakov, “Modulated Pulse Power Deposition ofNanometer-Scale Multilayered Coatings”, presented at the 2008 AVS Fall Technical Conference, Seattle, WA, October 21, 2008.
20. SE+PS-MoA3: A. Amassian et al., presented at the 2008 AVS Fall Technical Conference, Seattle, WA, October 21, 2008.
21. P Eh Hovsepian et al., Proceedings of the 50th Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2007) 602.
22. V Sittinger et al., Proceedings of the 49th Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters (2006) 343.