短时多脉冲HiPIMS技术&低偏压、低应力的DLC薄膜

点睛

DOMS（短时多脉冲HiPIMS技术）的18个连续短振荡显著减少了离子回吸，并利用脉冲间残留等离子体促进再点燃，使到达基底的碳离子流密度提高至4倍，从而实现离子辅助沉积。

引言

高性能的DLC薄膜依赖于高能碳离子的“次表层注入”以形成高sp3键含量。HiPIMS能产生高离化率的等离子体，但传统单脉冲模式存在离子回吸导致沉积速率低、需高基底偏压（带来高内应力）等问题。那我们能不能通过改变脉冲特性来优化等离子体状态，使得在更低能量条件下获得更优质量的DLC薄膜？

解析：

葡萄牙科英布拉大学的R. Serra等人通过短时多脉冲HiPIMS技术制备出低偏压，低应力的DLC薄膜，研究成果以“HiPIMS pulse shape influence on the deposition of diamond-like carbon films”为题发表在《Surface & Coatings Technology》上，其工艺参数如下：

1）基体：硅片（100）；2）靶材：高纯石墨靶；3）气氛与气压：纯氩气，工作气压0.8Pa；4）过渡层沉积：通过DCMS沉积400nmCr粘附层和400nmCrN支撑层。5）DLC膜层沉积：平均功率均为1300W，靶峰值电流均为74A；负偏压：0-160V；两种HiPIMS模式：传统HiPIMS：单脉冲，导通140µs，关闭1060µs，频率800Hz；DOMS模式：每脉冲包含18个连续短振荡，每个振荡导通6µs，关闭94µs，整个脉冲长1800µs，频率266Hz；

图1展示了两套系统获得的电压与电流靶波形。图2展示了两种模式等离子体性能的根本差异。在2400µs的测量窗口内，DOMS模式输送至基底的正离子电流密度高达52mA/cm²，而传统HiPIMS仅为13mA/cm²。DOMS的离子流密度是传统模式的4倍。它证明了DOMS的短时多脉冲结构能极其显著地提高碳离子的离化与输运效率。更高的离子通量意味着在沉积过程中，有更多具有活性的碳离子参与薄膜生长，为“次表层注入”形成sp3键提供了便利。

如图3a.所示，DOMS在-100V的基底偏压下，制备的DLC薄膜硬度即达到约18GPa的峰值。而传统HiPIMS需要将偏压大幅提高至-160V，才能获得约16GPa的硬度。DOMS以低60V（降低37.5%）的偏压能量，实现了更高的硬度。这验证了高离子通量的优势：更多的碳离子以适宜的能量参与成膜，促进了致密sp3网络的形成。在图3b.中，膜层在达到峰值硬度时（DOMS-100V，HiPIMS-160V），DOMS薄膜的内应力仅为1.5GPa，而传统HiPIMS薄膜则高达2.5GPa。DOMS将关键的内应力降低了40%。其中关键在于DOMS通过自身的高离化率等离子体提供了本征的“离子辅助”效应，降低了对高能氩离子轰击（通过高偏压实现）的依赖，从而在获得高sp3含量的同时，避免了过度轰击带来的晶格畸变和应力累积。

延伸

1. DOMS所展现的“低偏压高性能”特性，可适用于对界面应力要求苛刻的精密部件的DLC涂层制备，能有效提高涂层的可靠性。

2. 本研究除了氩离子，并没有说明碳离子在低能离子辅助沉积中的作用，这值得我们进一步深入研究。

3. HiPIMS电源脉冲波形的多变性（利用振荡次数、占空比、频率等参数调控）为高质量膜层的制备提供了无限可能，但这需要我们有耐心细品，才有机会。