李春伟，田修波，姜雪松，陈春晟

(1.东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040；2.先进焊接与连接国家重点实验室(哈尔滨工业大学)，哈尔滨 150001)

目前，物理气相沉积(PVD)技术已广泛应用于金属、合金、陶瓷和聚合物等薄膜/涂层材料的制备等领域[1-3]。其中，常规直流磁控溅射(dcMS)是代表性的PVD技术之一。尽管采用dcMS可以制备多种薄膜材料，但其相对较低的等离子体密度(1014～1016m-3)和较低的靶材金属离化率(<5%)严重制约了其工业化应用[4-8]。高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)是一门新兴的电离化物理气相沉积技术(I-PVD)，该技术采用较高的峰值靶功率密度(0.5～10 kW·cm-2)和较低的脉冲占空比(0.5%～5%)放电时具有较高的金属靶材离化率(最高可达90%)[9-11]和等离子体密度(最高可达1019m-3)[12]。与dcMS相比，HiPIMS制备的膜层具有较高的膜基结合强度[13-14]、较高的膜层致密度[15-16]和新型膜层结构[17-18]。Hajihoseini等[19]在平均功率相同的条件下分别采用dcMS和HiPIMS两种技术制备V膜，发现HiPIMS制备的V膜结构更加致密，表面更加平滑、表面粗糙度更低。Bugaev等[20]采用HiPIMS制备的碳膜中含有sp3杂化碳原子(50%～60%)高于常规dcMS(30%)。Agnarsson等[21]在300～700 ℃的温度范围内通过反应HiPIMS制备了金红石型TiO2薄膜，发现与dcMS相比，HiPIMS能在较低的生长温度下获得高折射率的薄膜，同时薄膜更光滑并显示出更优秀的光学特性。Carreri等[22]研究了平均功率、工作压力、脉冲峰值电流等工艺参数对HiPIMS和dcMS制备薄膜的结构和性能影响，发现HiPIMS沉积态薄膜的电阻率和光学性能优于dcMS的薄膜，但是在相同的平均功率下HiPIMS的沉积速率相对较低。

多数学者认为大量的离化靶材金属离子被高电位阴极靶吸回是导致HiPIMS沉积速率低的主要原因[23-24]。因此，国内外研究者[25-29]采用将其他的PVD技术与HiPIMS叠加的方式，或在HiPIMS体系内叠加辅助设备，来改善HiPIMS的沉积速率。然而，上述改进手段往往存在无法达到高离化率-高沉积速率的双重目的。此外，与电弧离子镀[30]等离子体密度(1018～1021m-3)相比，HiPIMS的等离子体密度(1018～1019m-3)还有待进一步提高，这也是HiPIMS存在的问题。

针对上述问题，我们在前期研究[31-32]中提出了一种高离化率-高沉积速率的HiPIMS放电新方法，其基本原理是采用电场和磁场协同增强HiPIMS放电，并系统研究了在不同电场条件下的放电规律和膜层沉积性能。为了更深入理解该新方法的工作原理，本文围绕外部磁场对V靶的等离子体放电行为，以及V膜的微观组织、表面形貌、截面形貌、沉积速率、耐摩擦磨损性能和耐腐蚀性能的调制作用展开研究。

1 实 验

实验中所使用的设备为自行研制的真空镀膜系统，阴极磁控靶为一个圆形平面V靶(直径50 mm，厚度6 mm，纯度99.99%)，并安装于真空室一侧的平衡磁控管上。……