第十五届全国表面工程大会

研究背景与意义：精准调控低温等离子体粒子能量可干预材料表面原子拓扑结构，优化关键零部件表面性能，是诸多领域发展的共性需求。高功率脉冲磁控溅射放电（HiPIMS）技术采取兆瓦级脉冲溅射放电，可产生高密度、高靶材粒子离化率的等离子体，为大量靶材粒子运动控制提供一种有效手段。传统HiPIMS粒子能量控制以调节基体负偏压方法为主，但随着微电子、精密陶瓷涂层等高新产业快速发展，基体负偏压方法无法应用于绝缘材料处理的共性问题凸显，精准调控低温等离子体中靶材离子能量具有明确理论指导意义和显著的工程应用价值。
理论与技术途径：本文提出了双极性高功率脉冲磁控溅射放电（BP-HiPIMS，图1a）方法，其在HiPIMS负脉冲结束后将靶电压快速切换为正脉冲（<2μs），利用电场加速离子运动速度、增强离子流量，具有操控成膜粒子拓扑结构的技术优势。大量等离子体测试、涂层性能研究发现，BP-HiPIMS可提高沉积离子的流量，精准控制离子能量（图1b），优化绝缘基体表面的膜基结合力，有效地干预涂层生长过程，大幅改善涂层硬度、耐磨性、导电性等（图1c）。总体达到参与涂层的粒子能量在10~400eV可调可控，参与形成涂层的离子数目超过传统HiPIMS的2倍以上，在基材上DLC、TiN等涂层结合力提高不小于50%的效果，DLC涂层的sp3含量在10%~50%可控的效果。
研究成果与价值：BP-HiPIMS采用大功率负脉冲溅射靶材粒子并使其离化，再采取正脉冲形成电双层以控制靶材离子能量与扩散方向，是磁控溅射领域的最新研究成果，可解决各工程领域绝缘材料表面处理无法施加偏压的技术难题，将拓宽磁控溅射技术在高性能新材料膜层制备的工程应用。本文提出的BP-HiPIMS技术已应用于航空航天关键部件表面防护，形成专利近10项，发表期刊论文15篇，支撑了国家重大科技专项、国家自然科学基金等多项。

粒子能量，高功率脉冲磁控溅射，BP-HiPIMS，涂层技术