141 / 2023-11-21 16:31:43

基于DCMS/HiPIMS技术的金属薄膜制备及性能研究

高功率脉冲（HiPIMS）磁控溅射,微结构,力学性能,晶粒尺寸

直流磁控溅射（DCMS）是制备金属薄膜的传统方法，具有沉积速率高、均匀性好和应用范围广等优点。但受沉积能量与溅射阴影效应等限制，DCMS制备的薄膜具有应力大、柱状晶明显和孔洞缺陷多等问题。高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）通过降低占空比（1%~30%），短时间（10 μs~500 μs）内为靶材供应约kW/cm²级的瞬时功率密度，使靶材附近电子密度达约10¹⁹ m^-3，增加了靶材溅射原子与电子碰撞的几率，并有效提高了靶材原子的离化率（达20%~90%）。高度离化的靶材原子形成的金属离子在基片鞘层电压的作用下，具有一定能量和沉积输运能力，结合负偏压调控，可有效降低薄膜固有应力和孔洞缺陷【1】。不足的是HiPIMS技术存在沉积速率低，工作气压高与放电可控性差的问题，限制了其应用范围。近年来，可以在低工作气压下稳定工作的DCMS/ HiPIMS共溅射技术，因兼具两种技术的优势而受到越来越多的关注。该技术在致密性高、结晶度高和应力低的薄膜制备方面上取得了一定成效【2-3】。

本文基于DCMS/ HiPIMS共溅射技术，开展了钽薄膜、铜薄膜和铝薄膜等制备与性能研究，利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、白光干涉仪、纳米压痕法（NI）、四探针电阻率测试仪等对共溅射薄膜的择优取向、晶粒尺寸、形貌、粗糙度、力学和电气性能进行分析表征。结果表明相对于单一溅射技术，DCMS/HiPIMS共溅射技术可有效调控金属薄膜的微结构，并改善其性能。最后，本文进一步拓展了DCMS/HiPIMS共溅射技术在惯性约束聚变靶丸等方面的应用。