引言
我國(guó)國(guó)防軍工、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展 對(duì)材料表面耐磨防護(hù)性能的要求日益嚴(yán)苛。物理 氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）技術(shù)是 材料表面改性的常用方法，主要包括真空蒸鍍、濺 射沉積和離子鍍沉積等技術(shù)，PVD 具有工藝簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保、成膜均勻致密以及可控性強(qiáng)等特點(diǎn)，已 廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域[1-2]。磁控濺射技術(shù)是一種通 過氣體離子轟擊靶材，使靶材原子或分子沉積在基 材上形成涂層的技術(shù)。傳統(tǒng)磁控濺射技術(shù)在高端 應(yīng)用中存在等離子體密度低、離化率不足等問題，限制了涂層性能的提升[3]。
1999 年，瑞典林雪平大學(xué) Kouznetsov 等[4] 針對(duì) 傳統(tǒng)磁控濺射技術(shù)靶材功率密度受限問題（靶與 等離子體相互作用引起顯著溫升），首次提出了高 功率脈沖磁控濺射（HiPIMS 或 High Power PulsedMagnetron Sputtering，HPPMS）技術(shù)。他們將脈沖 電源與磁控濺射 Cu 陰極疊加，不僅實(shí)現(xiàn)了金屬離 化率的顯著提升（約 70%），優(yōu)化了靶材利用率，進(jìn) 而改善了涂層厚度均勻性。隨后，該團(tuán)隊(duì)報(bào)道，當(dāng) 以金屬離子為主時(shí)，即使在距離濺射源 6~10 cm 處 也能檢測(cè)到極高的等離子體密度（>1012 cm?3）[5]。 至2005 年，HiPIMS 技術(shù)取得了顯著的發(fā)展，能夠 產(chǎn)生 1019 m?3 量級(jí)的高等離子體密度[6]。2011 年，Anders[7] 將 HiPIMS 定義為一種峰值功率通常超過 時(shí)間平均功率兩個(gè)數(shù)量級(jí)的脈沖濺射技術(shù)。他們 發(fā)現(xiàn)，靶面的平均峰值功率密度可以達(dá)到甚至超 過 107 W/m2，涂層性能可以進(jìn)一步提升。2010 年，日本學(xué)者Nakano 等[8] 基于 HiPIMS 裝置，通過在陰 極上施加極性相反的脈沖來研究其對(duì)等離子體 穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)所施加偏壓不足以維持放電，反 而阻礙了等離子體的演化。隨后，多個(gè)研究者提出 雙極高功率脈沖磁控濺射（Bipolar High Power Impulse Magnetron Sputtering，BP-HiPIMS或 B-HiPIMS）技術(shù)，通過在傳統(tǒng) HiPIMS 的負(fù)脈沖上疊加正脈沖，可以增加濺射金屬離子的運(yùn)動(dòng)速度，并增強(qiáng)離子對(duì) 電介質(zhì)涂層的轟擊，從而解決沉積絕緣涂層過程中 難以施加偏壓及離化率弱化的技術(shù)難題[9-10]。哈爾 濱工業(yè)大學(xué)吳厚樸等[11] 提出兩段式雙極性脈沖高 功率脈沖磁控濺射（Double Bipolar Pulse High Power ImpulseMagnetron Sputtering，DBP-HiPIMS）技術(shù)，整 個(gè)脈沖周期內(nèi)靶面附近等離子體密度維持在較高 水平，該模式下平均電流相較于傳統(tǒng) BP-HiPIMS模式提升了47%。
HiPIMS 技術(shù)能夠產(chǎn)生高密度等離子體，顯著 提高靶材原子離化率和等離子體密度，制備出具有 較高性能的涂層[12-14]。然而，沉積速率受限成為該 技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸；膜層內(nèi)應(yīng)力水平也需進(jìn)一步 提高。本文主要綜述了高功率脈沖磁控濺射技術(shù) 的改進(jìn)和復(fù)合技術(shù)發(fā)展，包括 HiPIMS 的波形疊加、同步偏壓和外部輔助裝置增強(qiáng)放電技術(shù)，及與射頻、直流和電弧等 PVD 技術(shù)的復(fù)合技術(shù)，并對(duì)相關(guān)技 術(shù) 應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述。
1、HiPIMS 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與局限性
1.1 HiPIMS 技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)
與直流磁控濺射相比，HiPIMS 技術(shù)因其高離 化率而具有更高的能量。Ferrec 等[15] 采用 DCMS和 HiPIMS技術(shù)制備了 Cr 涂層，并對(duì)兩種技術(shù)下Cr+、Cr2+和 Ar+的離子能量分布函數(shù)進(jìn)行分析，分析 結(jié)果如圖 1所示。在 DCMS 放電中，大部分離子 被熱化而集中于較低的能量區(qū)間，而 HiPIMS 中的 離子擁有更高的能量，其中 Cr+離子的分布函數(shù)達(dá) 到 60 eV 左右，遠(yuǎn)高于 DCMS 中約 30 eV 的水平。
HiPIMS 技術(shù)是通過高能離子轟擊效應(yīng)，提高 電離通量和原子遷移率，使沉積的涂層組織致密， 表面粗糙度降低，性能得到明顯改善。Bobzin 等[16]對(duì)比了采用直流磁控濺射（Direct current magnetronsputtering， DCMS）和 HiPIMS 技 術(shù) 沉 積 （Cr， Al）N涂層的組織結(jié)構(gòu)和性能，圖 2 為兩種技術(shù)沉積的 涂層截面形貌（a）（c）和表面形貌（b）（d），HiPIMS-（Cr，Al）N 涂層更光滑致密，并抑制了柱狀晶生長(zhǎng)，硬度和彈性模量比 DCMS-（Cr，Al）N 涂層高兩倍多，這可歸因于 HiPIMS 等離子體電離度的顯著增加。
Ying 等[17]研 究 了 HiPIMS 與 射 頻 磁 控 濺 射（RFMS）技術(shù)在 WS2 涂層制備上的差異，兩種制備工藝下的涂層表面形貌如圖 3 所示，RF-WS2 涂層 表面呈現(xiàn)出不均勻的蠕蟲狀結(jié)構(gòu)，而 HiPIMS-WS2涂層則為鱗片狀顆粒形態(tài)，涂層表面平整光滑，結(jié) 構(gòu)致密。Wang 等[18] 采用 HiPIMS 與電弧離子鍍（Arc IonPlating，AIP） 技術(shù)分別制備了 Cr 涂層，研 究發(fā)現(xiàn) HiPIMS-Cr 涂層結(jié)構(gòu)緊湊，表面光滑，幾乎 無宏觀顆粒缺陷，而 AIP-Cr 涂層表面則因弧斑蒸 發(fā)效應(yīng)而布滿較大的宏觀顆粒。這進(jìn)一步表明HiPIMS 技術(shù)在調(diào)控涂層微觀結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)越性。Reck 等[19] 通過不同 PVD 沉積技術(shù)在 SiO2 和聚苯乙 烯基體上沉積 Ag涂層，結(jié)果表明，使用 BP-HiPIMS技術(shù)對(duì)金屬離子進(jìn)一步加速所沉積的涂層比 DCMS技術(shù)展現(xiàn)出更高的簇密度，兩種工藝下的涂層形態(tài) 相似，但 BP-HiPIMS 工藝中涂層結(jié)構(gòu)尺寸（61 nm± 9 nm）比 DCMS 工藝（76nm±8 nm）更小。Cho 等[20]采用 BP-HiPIMS 和 DCMS 技術(shù)在 304 不銹鋼表面 制備了 α 相鉭涂層，圖4 為用不同技術(shù)所制備涂層 的截面形貌對(duì)比，使用雙極 HiPIMS技術(shù)形成納米晶涂層，高能鉭離子轟擊導(dǎo)致柱狀晶生長(zhǎng)被打斷是 納米晶結(jié)構(gòu)形成的原因。
HiPIMS 技術(shù)能夠使等離子體高度離化且無大 顆粒，在高偏壓電場(chǎng)作用下高密度離子束流轟擊基 體表面，使離子注入至基體界面，也可促進(jìn)涂層局 部外延生長(zhǎng)，增強(qiáng)膜/基結(jié)合力等性能。Alhafian 等[21]對(duì)比了陰極電弧蒸發(fā)（Cathodic Arc Evaporation，CAE）與 HiPIMS 技術(shù)制備的 TiAlN 涂層，研究發(fā)現(xiàn) HiPIMS誘導(dǎo)涂層晶體結(jié)構(gòu)擇優(yōu)取向由（200）向（111）轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變歸因于 HiPIMS 脈沖之間的弛豫時(shí) 間效應(yīng)。另外，HiPIMS 技術(shù)制備涂層的硬度與應(yīng)力 水平不一定相關(guān)，因而可通過調(diào)整沉積參數(shù)來調(diào)控 楊氏模量
，進(jìn)而優(yōu)化 H/E 和 H3/E2 比值來提升涂層耐 磨性。Kiryukhantsev-korneev 等[22] 使用單一 DCMS和HiPIMS 技術(shù)在相同功率下制備了（MoTaNbZrHf）- Si-B 涂層，結(jié)果表明 HiPIMS 所制備涂層劃痕邊緣 處的涂層剝落面積顯著減小，且壓頭穿透深度達(dá) 到 DCMS 涂層的兩倍，此外，涂層磨損率降低約 30%，循環(huán)沖擊載荷提高兩倍。在 MAX 相涂層制備領(lǐng) 域，Li 等[23] 使用 HiPIMS 和 DCMS 技術(shù)分別在 Ti6Al-4 V合金基底上沉積 Ti-Al-C 涂層，由于具有高 動(dòng)能的高離子化等離子流，HiPIMS 沉積獲得了納 米晶 TiAlx
化合物，并在 700 ℃ 退火后生成致密平滑的 Ti3AlC2 相涂層，Ti3AlC2 相可以在 450 ℃ 早期 參與結(jié)晶，而經(jīng)退火的 DCMS 涂層僅生成 Ti2AlC相。德國(guó)賽利（Ceme Con）公司將基于 HiPIMS 技術(shù)的Ferro Con?Plus 工藝成功應(yīng)用于 AlTiN 基高性能涂 層的商業(yè)化生產(chǎn)，該涂層展現(xiàn)出卓越的高溫穩(wěn)定性，最大服役溫度達(dá) 1 100 ℃，車削 Inconel 718 合金時(shí)，加工 1 000 m 的切削距離后，AlTiN 涂層刀具磨損 帶寬（140 μm）僅為標(biāo)準(zhǔn) TiAlN 涂層刀具（280 μm）的 一半，且經(jīng)企業(yè)廣泛應(yīng)用驗(yàn)證，在不同應(yīng)用領(lǐng)域，該涂層的刀具壽命均有顯著提升（提高 50%~80%）。HiPIMS 技術(shù)以其低占空比和高功率脈沖特性，顯著提升了靶材電離度和等離子體密度，增強(qiáng)了離 子能量和通量，不僅促進(jìn)了涂層表面粗糙度的降低 和結(jié)構(gòu)的致密化，還提升了涂層的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和高溫穩(wěn)定性，為極端工況下的材料保護(hù) 提 供了有力支持。
1.2 HiPIMS 技術(shù)發(fā)展的主要局限
盡管研究者們已經(jīng)對(duì) HiPIMS 技術(shù)進(jìn)行了大 量研究，但在相同的平均功率下，其沉積速率仍然 比 DCMS 低，這一直是制約其廣泛應(yīng)用的核心挑 戰(zhàn)，并持續(xù)成為該領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。目前的研究認(rèn) 為，造成上述問題的主要原因如下：（1）回吸效應(yīng)，濺射原子的高度電離顯著增強(qiáng)了離子對(duì)靶材的反 向吸引作用，即“回吸”現(xiàn)象，直接導(dǎo)致部分濺射粒 子不能有效脫離靶面而參與沉積，從而降低了沉積 速率[24]；（2）產(chǎn)率效應(yīng)，濺射產(chǎn)率隨離子能量的增加 呈非線性增長(zhǎng)，限制了高能量脈沖下濺射效率的進(jìn) 一步提升[25]；（3）物種效應(yīng)，當(dāng)工作氣體離子被反向 吸引的靶材離子所替代時(shí)，濺射過程的動(dòng)力學(xué)特性 發(fā)生變化，影響了濺射產(chǎn)率的穩(wěn)定性，進(jìn)而降低了 沉積速率[26]；（4）輸運(yùn)效應(yīng)，HiPIMS 等離子體中強(qiáng) 烈的軸向電位梯度不僅阻礙了因氣體碰撞電離的 低能金屬離子傳輸?shù)交祝€導(dǎo)致他們?cè)趶较騻?輸過程中的側(cè)向損失，進(jìn)一步降低了沉積效率[27]； （5）氣體稀薄效應(yīng)，在較長(zhǎng)的 HiPIMS 脈沖（>50 μs）條件下，氣體稀薄現(xiàn)象降低了可用于濺射的有效 離子密度，這也是導(dǎo)致沉積速率下降的一個(gè)重要因 素[28]。Tiron 等[29] 進(jìn)行了系統(tǒng)性的對(duì)比研究，圖 5 為DCMS 和 HiPIMS 在不同脈沖持續(xù)時(shí)間下的涂層 沉積速率。所有脈沖時(shí)間下HiPIMS 技術(shù)的沉積 速率均最低，在超短 HiPIMS 脈沖期間，由于金屬 粒子在高密度等離子體區(qū)域停留時(shí)間不足且離子 返回概率較低，自濺射模式放電的概率相應(yīng)降低，導(dǎo)致沉積速率相對(duì)較高。自濺射是 HiPIMS的一個(gè)基本特征[7]，其機(jī)制（如圖 6 所示）與依賴氣體 Ar 離 子濺射的傳統(tǒng)磁控濺射不同，HiPIMS 主要依賴靶 材自身返回的離子進(jìn)行濺射，這一過程高度依賴于 電離效率[7]。
HiPIMS 技術(shù)的高能量離子注入會(huì)導(dǎo)致所沉積 涂層的殘余應(yīng)力增加。Tillmann 等[30] 采用不同 工 藝 沉積了 AlCrN 和 AlCrVYN 涂 層 ， 研 究 發(fā) 現(xiàn)DCMS 樣品的宏觀和微觀殘余應(yīng)力均明顯低于使 用 HiPIMS工藝的樣品，這歸因于 HiPIMS 沉積過 程中產(chǎn)生的高能離子在沉積過程中加速了原子間 的碰撞與重組，并促進(jìn)了晶格缺陷（如空位、位錯(cuò) 等）的形成，進(jìn)而導(dǎo)致了殘余應(yīng)力的累積。Patidar等[31] 采用不同工藝沉積 AlN 涂層，并對(duì)涂層中的 應(yīng)力進(jìn)行了分析，圖 7 為采用不同制備技術(shù)得到的AlN 涂層中的 Ar 離子摻雜含量及應(yīng)力值，所有用HiPIMS 制備的涂層均展現(xiàn)出比用 DCMS 制備的涂 層更高的應(yīng)力水平和 Ar 離子摻雜含量，當(dāng)引入基體 偏壓時(shí)，用 HiPIMS 沉積的涂層應(yīng)力和 Ar 離子摻雜 含量均比偏壓為 0 V 時(shí)有進(jìn)一步提高。Cemin 等[32]和 Yang 等[33] 也 報(bào) 道 了 類 似 結(jié) 果 。 Li 等[34] 采 用HiPIMS 技術(shù)沉積了 TiAlSiN 涂層，結(jié)果表明，在 0 V到?150 V 的偏壓下，離子轟擊增強(qiáng)導(dǎo)致涂層擇優(yōu) 取向從（200）向（220）轉(zhuǎn)變，壓應(yīng)力從?0.5 GPa 增加 到?1.7 GPa，硬度和韌性在?150 V 時(shí)偏壓達(dá)到最大 值 37.5 GPa±0.6 GPa 和 H/E = 0.110；當(dāng)偏壓進(jìn)一步 增 加 到?200 V 時(shí) ， 壓 應(yīng) 力 進(jìn) 一 步 增 大 至 ?3 GPa，過度的離子轟擊促使涂層擇優(yōu)取向轉(zhuǎn)變?yōu)椋?00），涂層的硬度、韌性和結(jié)合強(qiáng)度也有明顯降低。Das 等[35] 采 用 HiPIMS 技 術(shù) 沉 積 TiAlSiN 涂 層 的 研究進(jìn)一步表明，隨著脈沖頻率的增加，雖然沉積 速率有所提升，但涂層表面粗糙度也從 9.42 nm 增 加至 14.32 nm。
HiPIMS 技術(shù)雖然取得了顯著的進(jìn)步，但其較 低的沉積速率一直是限制其廣泛應(yīng)用的瓶頸。該 問題主要?dú)w因于回吸效應(yīng)使有效濺射粒子減少，產(chǎn) 率效應(yīng)限制了高能量下的濺射效率，物種效應(yīng)影響 了濺射動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，輸運(yùn)效應(yīng)阻礙了離子向基材 的有效傳輸，以及氣體稀薄效應(yīng)降低了有效離子密 度。此外，HiPIMS的高能量離子注入使涂層中的 惰性氣體原子含量增加，導(dǎo)致殘余應(yīng)力增加，影響 涂層性能。HiPIMS 技術(shù)對(duì)等離子體氣氛要求較高，容易受到多種因素的影響而產(chǎn)生打弧現(xiàn)象，該現(xiàn)象 不僅會(huì)影響沉積過程的穩(wěn)定性和可靠性，還可能對(duì) 設(shè) 備和靶材造成損害，增加維護(hù)成本。
2、HiPIMS 技術(shù)發(fā)展及復(fù)合技術(shù)
基于上述 HiPIMS 技術(shù)所存在的問題，研究者 們已開展較多針對(duì)性研究，這些研究主要聚焦于HiPIMS 技術(shù)本身的發(fā)展改進(jìn)和通過復(fù)合技術(shù)優(yōu)化 兩個(gè)方面。在 HiPIMS 技術(shù)的直接改進(jìn)方面，主要 包括采用波形疊加、實(shí)施同步偏壓技術(shù)及增加輔 助設(shè)備等方法；復(fù)合技術(shù)分為與磁控濺射和電弧離 子鍍技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，其中 HiPIMS 技術(shù)與磁控濺 射技術(shù)復(fù)合沉積包括與直流磁控濺射、射頻磁控 濺射以及中頻磁控濺射的復(fù)合。這些改進(jìn)不僅增 強(qiáng)了 HiPIMS 的放電，還提高了涂層的沉積速率，改 善了涂層性能。
2.1 HiPIMS 技術(shù)的發(fā)展改進(jìn)
2.1.1 波形疊加技術(shù)
對(duì)于 HiPIMS 技術(shù)的低沉積速率和高殘余應(yīng) 力，可以通過以下方式進(jìn)行改善：（1）放電脈沖參數(shù) 調(diào)控（脈沖持續(xù)時(shí)間、重復(fù)頻率、峰值電流等），較 短的脈沖時(shí)間能夠有效緩解自濺射現(xiàn)象并抑制氣 體稀薄效應(yīng)[36]。另外，將 HiPIMS 脈沖限制在非常短 的持續(xù)時(shí)間（<5 μs）內(nèi)，能夠顯著提升等離子體的電 離度，有效控制金屬離子的反向吸引效應(yīng)，提升沉積 效率[37]。（2）改變磁控管的磁場(chǎng)強(qiáng)度或形態(tài)，能夠直 接影響等離子體鞘層的特性，優(yōu)化離子傳輸路徑至 基底的過程，進(jìn)而提升沉積速率和涂層質(zhì)量[38-39]。（3）以多脈沖模式疊加 HiPIMS，可以提升濺射材料 的電離度并抑制金屬離子的反向吸引效應(yīng)[40]。通過脈沖來調(diào)控 HiPIMS 效果較為常見，圖 8展示了多種脈沖模式的實(shí)際應(yīng)用案例[41]。包括三角 形脈沖[42]（圖 8（a））、矩形單脈沖[43]（圖 8（b））、脈沖 組內(nèi)的疊加模式[44]（圖 8（c）），此類脈沖組也用于深 度振蕩磁控濺射（Deep Oscillation Magnetron Sputtering，DOMS）[45]。圖8（d）所示脈沖組中的低電流用 于放電的預(yù)電離，預(yù)電離和其后的 HiPIMS 脈沖都 可以由短脈沖組組成，這也稱為調(diào)制脈沖磁控濺射（Modulated Pulsed Magnetron Sputtering，MPPMS）[46]。 圖 8（e）所示的反向電壓疊加應(yīng)用模式是施加比負(fù) 濺射電壓更低的正向電壓[47-48]。利用單個(gè)脈沖發(fā) 生器同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)磁控濺射源的雙極操作模式如 圖 8（f）所示[49]，這些脈沖模式為 HiPIMS 技術(shù)提供 了全新的研究方向。通過將 HiPIMS技術(shù)疊加可 實(shí)現(xiàn)波形轉(zhuǎn)變，進(jìn)而改善涂層沉積速率，多方面調(diào) 控涂層殘余應(yīng)力及其他性能，并提供良好的等離子 體氛圍，有利于持續(xù)穩(wěn)定地起輝及放電。
2.1.2 同步偏壓技術(shù)
HiPIMS 工作期間，氣體離子電離與放電電流 同步發(fā)生，而在靶電流密度達(dá)到較高值后金屬離子 才產(chǎn)生，在 HiPIMS 脈沖的后半部分，放電主要以 金屬離子為主，氣體稀薄效應(yīng)和離子化物質(zhì)的質(zhì)量 差都可能導(dǎo)致其到達(dá)基體的時(shí)間不同，這導(dǎo)致氣體 離子一般在金屬離子之前到達(dá)[50-51]。利用同步脈 沖偏壓來實(shí)現(xiàn)金屬離子同步 HiPIMS（Metal-IonsSynchronized HiPIMS，MIS-HiPIMS）方法能夠選擇 性地增加特定離子的動(dòng)能，同時(shí)最大限度地減少涂 層中的惰性氣體，拓展了其在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用。
蘭州空間技術(shù)物理研究所的 Gui 等[52] 采用 MISHiPIMS技術(shù)調(diào)控高能離子通量來優(yōu)化涂層表面的 轟擊效應(yīng)。研究表明，隨著同步脈沖寬度的增加，沉積的 CrSiN 涂層從粗糙的橫向柱狀結(jié)構(gòu)逐漸演 變?yōu)楣饣途o湊的柱狀結(jié)構(gòu)，晶粒細(xì)化，硬度和彈 性模量顯著增強(qiáng)，磨損率低至 9.1×10?16 m3/（N·m）。Patidar 等[31] 采用 MIS-HiPIMS 技術(shù)改善傾斜角沉 積 AlN 涂層，發(fā)現(xiàn)無論沉積角度如何，涂層中柱狀 晶粒的生長(zhǎng)幾乎垂直于基體表面，與 HiPIMS 技術(shù) 相比，涂層中惰性氣體離子含量降低。另外，將其 與 DCMS 沉積態(tài)樣品暴露于大氣環(huán)境 5 min 后，DCMS 涂層中約有 5% 的氧含量，而 MIS-HiPIMS涂層僅顯示表面氧化，涂層內(nèi)部保持無氧狀態(tài)。這 歸因于其致密微觀結(jié)構(gòu) ，防止了涂層的晶界氧化。
2.1.3 輔助設(shè)備增強(qiáng)技術(shù)
通過引入外部輔助設(shè)備，如疊加電子回旋共振 裝置或添加外部磁場(chǎng)，能夠改變離子輸運(yùn)通量，加 速涂層沉積過程，同時(shí)改善涂層質(zhì)量[53]。早在 20 世 紀(jì) 90 年代，電子回旋波共振（Electron Cyclotron WaveResonance，ECWR）輔助磁控濺射技術(shù)就有報(bào) 道[54-55]。隨后，Stranak 等[56] 驗(yàn)證了將 HiPIMS 與 RF（fRF=13.56 MHz）-ECWR 等離子體源相結(jié)合沉積涂 層的設(shè)想，研究發(fā)現(xiàn)，ECWR 輔助顯著促進(jìn)了金屬 離子的產(chǎn)生，在低壓區(qū)域，金屬電離通量增加了約30%。Krysová等[57] 采用反應(yīng) HiPIMS 結(jié)合 ECWR的方法沉積Fe2O3 涂層，展現(xiàn)了高電離度與更多濺 射粒子的特點(diǎn)，ECWR 的輔助將沉積涂層過程中 的最小啟輝氣壓由1 Pa 降低至 0.35 Pa，復(fù)合輔助 技術(shù)也顯著提高了放電脈沖期間等離子體的電子 溫度與離子密度。微波等離子體輔助 HiPIMS（Microwave Plasma-Assisted， MA-HiPIMS）技術(shù)近年來 受到廣泛關(guān)注。Hain 等[58] 研究了 HiPIMS 和 MAHiPIMS技術(shù)對(duì) DLC 涂層性能的影響，在 HiPIMS模式下，等離子體的最大電勢(shì)和電子溫度數(shù)值在脈 沖結(jié)束時(shí)出現(xiàn)，離子和電子密度的峰值略后出現(xiàn)，余輝期間，帶電粒子飛濺向基體，隨后各項(xiàng)參數(shù)數(shù) 值下降。在 MA-HiPIMS 模式下，前 20 μs 為典型微 波等離子體特性，隨后因微波源產(chǎn)生的等離子體有 效屏蔽了靶電勢(shì)激增引起的電場(chǎng)快速變化，避免了 電流峰值產(chǎn)生，等離子體電勢(shì)、電子溫度和離子密 度在脈沖結(jié)束前達(dá)到最小值，而電子密度在脈沖結(jié) 束之后下降。盡管 MA-HiPIMS 未顯著提升涂層的 硬度（上限約 30 GPa），但涂層表面更光滑。
高功率脈沖雖能瞬間釋放大量電子，但部分電 子會(huì)直接撞擊真空室壁，使能量損失。引入外部磁 場(chǎng)能夠顯著提升高能電子的利用率，有效遏制其向 真空腔壁的逃逸，促進(jìn)電子與真空室內(nèi)中性粒子的 頻繁碰撞與離化過程，進(jìn)而增強(qiáng)等離子體的密度與 活性。此效應(yīng)不僅能夠加速 HIPIMS 過程中的沉 積速率，還能改善涂層的質(zhì)量[59-60]。Li 等[61] 通過輔 助陽極和外部電磁線圈來調(diào)控真空室內(nèi)的電場(chǎng)電 勢(shì)和陰極磁場(chǎng)分布，形成外部電場(chǎng)磁場(chǎng)同步增強(qiáng)的HiPIMS（External Electric Field and External Magnetic FieldEnhanced Simultaneously the HiPIMS，（E-MF）- HiPIMS），并以此來制備 V 涂層。結(jié)果表明當(dāng)陽極電壓設(shè)定為 70 V 時(shí)，輔助模式下基體峰值離子電流密 度比單一 HiPIMS 模式增加了 4 倍，且涂層表面更為光滑致密。在相同靶功率條件下，（E-MF）-HiPIMS的沉積速率比傳統(tǒng) HiPIMS 高約 73%。Tian 等[62]通過磁場(chǎng)增強(qiáng) HiPIMS 技術(shù)沉積了（AlTi）xN1?x 涂 層，涂層的沉積速率和硬度分別從 23.67 nm/min 和23 GPa增加至 25.67 nm/min 和 28 GPa，表面粗糙度 從 8.7 nm 降低至 5.2 nm，進(jìn)一步驗(yàn)證了磁場(chǎng)輔助在 優(yōu)化HiPIMS 技術(shù)方面的有效性。
在 HiPIMS 技術(shù)中引入外部輔助裝置及（或）添加外部磁場(chǎng)，一定程度上提高了電離效率和等離 子體穩(wěn)定性，提高了涂層沉積速率與性能。另外，外部磁場(chǎng)的引入進(jìn)一步提升了電子利用率，減少了 能量損失。但這些方法都存在高成本、高能耗的 特點(diǎn) ，不利于工業(yè)化發(fā)展應(yīng)用。
2.2 HiPIMS 與磁控濺射復(fù)合技術(shù)
2.2.1 HiPIMS 與直流磁控濺射復(fù)合技術(shù)
直流磁控濺射（DCMS）技術(shù)具有較低的離化 率，較高的沉積速率，而 HiPIMS 技術(shù)由于濺射靶 材離化后，一部分離子返回靶面產(chǎn)生自濺射過程，導(dǎo)致到達(dá)基體的濺射離子減少，沉積速率較低，將HiPIMS 與 DCMS技術(shù)結(jié)合可以有效緩解 HiPIMS沉積速率低的問題[63-64]。
HiPIMS/DCMS 共濺射裝置結(jié)合 了 DCMS 源 提供的高沉積速率與 HiPIMS 源產(chǎn)生的高能金屬 離子，實(shí)現(xiàn)了涂層性能的優(yōu)化，在保證力學(xué)性能的 同時(shí)降低殘余應(yīng)力。Hsu 等[65] 對(duì)比了高功率脈沖 和直流磁控共濺射技術(shù)沉積的 TiWC 涂層，采用復(fù) 合技術(shù)制備的 TiWC 涂層致密，硬度高于 30 GPa，與 DCMS 相比，工藝相對(duì)能耗降低了 77%。他們 通過該技術(shù)制備的 TiAlSiN 涂層在保持硬度高達(dá)30 GPa 的同時(shí)，將殘余應(yīng)力控制在 0.5 GPa 以內(nèi)[66]。Liu 等[67] 通 過 DCMS 和 HiPIMS/DCMS 共濺射在 充 He 條件下沉積了的 Al涂層，結(jié)果表明，采用HiPIMS/DCMS 共濺射時(shí)，由于濺射的金屬離子能 量高，沉積的金屬顆粒的遷移能力得到增強(qiáng)，晶粒 尺寸增大，位錯(cuò)環(huán)的直徑和密度減小。Dias 等[68]報(bào)道了有關(guān) TiAlTaN 涂層的沉積：復(fù)合 DCMS/HiPIMS工藝結(jié)合了 DCMS 和 HiPIMS 的優(yōu)點(diǎn)，所沉積 涂層的硬度（40 GPa）與用單一 HiPIMS 工藝（41 GPa）沉積的相當(dāng)，但在相同條件下，其沉積速率可達(dá) 到 HiPIMS 工藝的 2 倍。Ding 等[69] 使用DCMS 和HiPIMS、復(fù)合技術(shù)在不同的偏置電壓下沉積 Cr 涂 層。結(jié)果表明，隨著偏壓的增加，涂層沉積速率的 下降逐漸減慢， 但 在 500 V 偏壓時(shí)仍可保持 約100 nm/min 的沉積速率，涂層表面粗糙度隨偏壓增大而增大。Zoita 等[70] 報(bào)道，與 DCMS 濺射相比，在相同溫度下用 DCMS/HiPIMS 復(fù)合技術(shù)制備的TiC 涂層具有更好的結(jié)構(gòu)有序性，電阻率值降低了6%~23%。在 200 ℃ 沉積溫度下，用 DCMS 沉積的 涂層表面粗糙度約為用 DCMS/HiPIMS 技術(shù)沉積 涂層的 3 倍。Wu 等[71] 采用 Al-HiPIMS/TiSi-DCMS配置制備了TiAlSiN 涂層，其最大金屬原子比為Al/（Al+Ti）=0.59，Si 原子數(shù)含量為 9.4 %，合成了比 傳統(tǒng)濺射技術(shù)組成范圍更廣的 NaCl 結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)態(tài)過 渡金屬氮化物。Tillmann 等[72] 使用不同技術(shù)沉積TiAlN 涂層，DCMS 涂層僅有?1 817.0 MPa 的殘余 壓應(yīng)力，HiPIMS 放電的高電離導(dǎo)致涂層殘余應(yīng)力 值高達(dá)?5 979.2 MPa，超過單一 DCMS 涂層殘余應(yīng) 力的 3 倍，而用復(fù)合技術(shù)制備的涂層的殘余應(yīng)力低 至?626.4 MPa 左右。類似的低殘余應(yīng)力現(xiàn)象在其 他文獻(xiàn)中也有報(bào)道[73]。
在 HiPIMS/DCMS 工藝中，由于 HiPIMS 離化 率較高，不同靶位配置模式下涂層性能差異較大。Wicher 等[74] 報(bào)道，不同靶位配置會(huì)對(duì) Ti1-xAlxBy 涂 層產(chǎn)生較大影響，兩種模式下涂層硬度均隨著 Al含量增加而降低，TiB2HiPIMS/AlB2-DCMS 模式下x=0.36 時(shí)，硬度達(dá)到最大值 43.1 GPa±2.6 GPa，x=0.76時(shí)涂層硬度低至 20.0 GPa±1.2 GPa，而 AlB2-HiPIMS/ TiB2-DCMS 涂層硬度最高可達(dá) 46.0 GPa±2.5 GPa，即使Al 含量最高（x=0.74）的涂層也具有 32.8 GPa± 1.7 GPa 的硬度值。Greczynski 等[75] 利用 Ti-
HiPIMS/ Si-DCMS 和 Si-HiPIMS/Ti-DCMS 兩種靶材配置模 式下沉積 Ti1?xSixN 涂層。圖 9 為 200 μs 內(nèi)靶電壓、電流及功率密度的波形變化， HiPIMS 電壓值在 一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)呈下降至穩(wěn)定趨勢(shì)，Si-HiPIMS 的電壓在穩(wěn)定時(shí)約為 Ti-HiPIMS 的 3 倍；HiPIMS 電流值 在一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)呈先增大后減小趨勢(shì)，Ti-HiPIMS 電流密度峰值出現(xiàn)早于 Si-HiPIMS，功率密度呈現(xiàn)相 同趨勢(shì)。高離化率的 Ti 源（Ti-HIPIMS）與低離化率的 Si 源（Si-DCMS）易促進(jìn)第二相 a-SiNx 析出，生 成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，獲得高硬度涂層；反之，高離化率的 Si 源（Si-HIPIMS）和低離化率的 Ti 源（Ti-DCMS）組合，傾向于生成 Ti1?xSixN 固溶體，涂層硬度較低。
HiPIMS 與 DCMS 復(fù)合技術(shù)結(jié)合了兩者優(yōu)勢(shì)， 有效緩解了 HiPIMS 中的自濺射現(xiàn)象，增強(qiáng)了涂層 的結(jié)晶度與沉積速率，并保持涂層的高硬度。復(fù)合 技術(shù)雖降低了相對(duì)能耗，但粒子離化率及系統(tǒng)的等 離子體密度也有相應(yīng)損失，且不同靶位配置顯著影 響涂層微觀結(jié)構(gòu)與性能。總體而言，HiPIMS/DCMS復(fù)合技術(shù)為制備高性能涂層提供了有效途徑，但仍 需平衡兩者來調(diào)控對(duì)涂層性能的影響機(jī)制。
2.2.2 HiPIMS 與射頻磁控濺射復(fù)合技術(shù)
射頻磁控濺射（RFMS）技術(shù)是通過施加高頻電 場(chǎng)（國(guó)際上常用的射頻頻率為 13.56 MHz）實(shí)現(xiàn)電容 耦合或電感耦合形成等離子體，電子與氣體分子發(fā) 生碰撞使氣體分子離化，高能粒子經(jīng)電場(chǎng)加速轟擊 靶材，使原子或分子被濺射。RFMS 因?qū)Π胁牡膹V 泛適用性及高效的沉積速率而備受矚目，適用于導(dǎo) 體、半導(dǎo)體和絕緣靶材。這是因?yàn)樯漕l電場(chǎng)能夠 在非導(dǎo)電材料中產(chǎn)生感應(yīng)電流，激活靶材表面的等 離子體，為濺射過程提供了必要的能量與條件。鑒 于 HiPIMS 技術(shù)在沉積速率方面存在的局限性，有 研究者提出了采用 HiPIMS與 RFMS 的共沉積策 略，不僅彌補(bǔ)了 HiPIMS 在沉積速率上的不足，還 進(jìn)一步拓寬了可用靶材的多樣性[76]。
HiPIMS 與 RFMS 共濺射能夠在改善涂層力學(xué) 性能的同時(shí)，提高 HiPIMS 濺射效率，增大靶功率 密 度，改善沉積速率。 Diyatmika 等[77] 采 用 HiPIMS/RFMS復(fù)合技術(shù)制備了 Cr-Si-N 涂層，研究發(fā) 現(xiàn)，增加RF 靶功率和 HiPIMS 占空比均可提高沉 積速率。另外，涂層硬度和彈性模量隨著 RF 靶功 率的增加和HiPIMS 占空比的減小而增加，最高分 別達(dá)到了 31.5 GPa 和 292 GPa。Holtzer 等[78] 通過該 復(fù)合沉積技術(shù)提高了 a-NbSi 涂層的沉積速率以及 均勻性，涂層的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度（Tc）和電阻率（ρ）均呈現(xiàn)出優(yōu)異性能。研究還表明，預(yù)電離在混合技 術(shù)中能夠有效減少電流響應(yīng)延遲。葉譜生等[79] 結(jié) 合 HiPIMS和 RFMS 技術(shù)制備出硬度高達(dá) 43.65 GPa的納米復(fù)合結(jié)構(gòu) TiB2-Ni 涂層。Lou 等[80] 使用該復(fù) 合技術(shù)制備 TiCrSiN 涂層，提高了濺射效率，當(dāng) RFSi靶功率從 50 W 增加到 150 W 時(shí)，由 HiPIMS 供 電的 TiCr靶的峰值功率密度從 1 214 W/cm2 增加 到 1 350 W/cm2。來自靶材和濺射氣體的所有濺射 離子的能量分布尾部向更高能量區(qū)域偏移，這可能 是因?yàn)榍蕦与妷菏艿降入x子體電勢(shì)的影響，而等離 子體電勢(shì)反過來又受到等離子體生成方式以及相 鄰磁控源產(chǎn)生的等離子體的影響所致。
HiPIMS/RFMS 復(fù)合技術(shù)融合了 HiPIMS 的高8 真空與低溫 第 31 卷 第 1 期能離子優(yōu)勢(shì)與 RFMS 在非導(dǎo)電靶材上的廣泛適用 性，為氧化物涂層制備提供了有效方法，但 RFMS技術(shù)的高成本、涂層的高殘余應(yīng)力及在復(fù)雜結(jié)構(gòu) 基體上難以均勻沉積等缺點(diǎn)也限制了其應(yīng)用推廣，需綜合考慮其技術(shù)挑戰(zhàn)與經(jīng)濟(jì)成本。
2.2.3 HiPIMS 與中頻磁控濺射復(fù)合技術(shù)
中頻磁控濺射（Medium Frequency Magnetron Sputtering，MFMS）技術(shù)一般用兩個(gè)并排的濺射靶，也稱為孿生靶，陽極與陰極在兩個(gè)孿生靶中交替變 換，通過施加交變電場(chǎng)中和因負(fù)電壓在靶面積累的 正電荷，從而抑制打火現(xiàn)象，并完成濺射過程。濺 射電源的工作頻率一般在 10~100 kHz 內(nèi)，峰值功 率密度低于0.1 kW·cm?2，占空比較高（≥50%），雖 然濺射產(chǎn)物的電離率相對(duì)較低，但能實(shí)現(xiàn)較高的沉 積速率。此外，還能在反應(yīng)氣氛（尤其是氧化性氣 氛）中有效沉積涂層，相較于其他方法，顯著減少了“靶中毒”現(xiàn)象，抑制打弧的產(chǎn)生。目前將 HiPIMS與 MFMS 相結(jié)合的系統(tǒng)主要分為三種類型，其不 同之處在于電源及其與濺射靶材的連接方式[81]。 第一種采用兩個(gè)（或更多）獨(dú)立磁控靶位，其中一個(gè) 靶位在 MFMS 模式工作，另一個(gè)在 HiPIMS 模式下 運(yùn)行；第二種系統(tǒng)將兩個(gè)電源并聯(lián)至同一磁控靶位，通過二極管在輸出端實(shí)現(xiàn)電流疊加，進(jìn)而形成單 極 HiPIMS 和 MF 脈沖；第三種也采用雙磁控靶位 交替極性電流供電，通過雙極電壓脈沖交替濺射兩 個(gè)靶材，從而清除靶材表面的介電涂層并補(bǔ)償正空 間電荷，以此解決介電涂層磁控濺射沉積過程中陽 極損耗和頻繁打弧的問題。
采用 HiPIMS/MFMS 復(fù)合技術(shù)沉積涂層能夠 有效解決頻繁打弧現(xiàn)象，提高沉積速率，并改善涂 層性能。Moirangthem 等[82] 的報(bào)道表明，與單一HiPIMS 技術(shù)相比，用復(fù)合技術(shù)所制備 WOx 涂層具 有更高的沉積速率和硬度。在相同條件下，使用HiPIMS-MF 技術(shù)的涂層沉積速率達(dá)到 62.6 nm/min，明顯高于單一HiPIMS 技術(shù)的 35.1 nm/min。Chuang等[83] 采用該復(fù)合技術(shù)制備了電阻率低至 3.41 Ω·cm、沉積速率高達(dá) 13.9 nm/min 的富 Ni3+的 NiO 涂層。Lou 等[84] 對(duì)比了不同制備技術(shù)對(duì) TiN 涂層截面形貌 的影響，結(jié)果表明：用 DCMS 制備的涂層呈現(xiàn)出相 對(duì)多孔的柱狀結(jié)構(gòu)；用 MFMS 沉積的涂層在亮場(chǎng) 圖像中可見沿柱狀晶粒分布的缺陷；而用 HiPIMS/ MFMS 復(fù)合技術(shù)制備 的 TiN 涂 層 ， 由 于 HiPIMS增強(qiáng)的離子轟擊效應(yīng)，表現(xiàn)出比單獨(dú)使用 HiPIMS或 DCMS 制備的膜更為致密緊湊的微觀結(jié)構(gòu)。Ferreira 等[85] 采用不同方式沉積 Al2O3 涂層，與單獨(dú) 使用 HiPIMS 技術(shù)相比，MFMS/HiPIMS 的復(fù)合可提 升沉積速率，降低涂層內(nèi)部的壓應(yīng)力與結(jié)晶度。另 外，單一 HiPIMS 沉積的涂層壓應(yīng)力高達(dá) 10 GPa± 1.6 GPa，用復(fù)合技術(shù)沉積速率大幅提高，應(yīng)力降低至?4.10 GPa±0.6 GPa。Kment 等[86] 分別采用 HiPIMS和 HiPIMS/MFMS 復(fù)合技術(shù)在FTO 導(dǎo)電玻璃基體 上沉積了厚度約 30 nm 的 TiO2 阻擋層 ， 并使用 循環(huán)伏安法測(cè)試涂層覆蓋率，兩種方法所制備的沉 積態(tài) TiO2 涂層均致密，但經(jīng) 450 ℃ 熱處理后，用HiPIMS 技術(shù)制備的樣品的峰值電流密度低于無涂 層 FTO 基體，并伴隨峰間分離。原因在于，經(jīng)退火 處理后，用 HiPIMS 技術(shù)制備的 TiO2 涂層結(jié)晶度較 低、缺陷較多，涂層覆蓋率較低，導(dǎo)致涂層對(duì)電荷 轉(zhuǎn)移的阻擋性失效。與此相比，用HiPIMS/MFMS復(fù)合技術(shù)制備的涂層具有較好的結(jié)晶性和較少缺 陷，涂層覆蓋率較高，能夠有效阻擋電荷轉(zhuǎn)移。
將 MFMS 引入到 HiPIMS 放電中，通過不同配 置方式實(shí)現(xiàn) HiPIMS 與 MFMS 的協(xié)同作用，有效提 升了涂層的沉積速率，同時(shí)降低了內(nèi)部壓應(yīng)力，提 高了涂層的熱穩(wěn)定性和電化學(xué)性能，并抑制了靶材 打弧現(xiàn)象。然而，復(fù)合系統(tǒng)也面臨技術(shù)復(fù)雜性與成 本增加的挑戰(zhàn) ，限制了其應(yīng)用。
2.3 HiPIMS 與電弧復(fù)合技術(shù)
電弧離子鍍（AIP）技術(shù)具有高電離度和沉積速 率等優(yōu)點(diǎn)，但是，該技術(shù)沉積過程中會(huì)產(chǎn)生大量液 滴，使所制備的涂層表面有較多大顆粒，因而有較 高的表面粗糙度。不同的靶材所產(chǎn)生的液滴數(shù)量 和尺寸不同，如 VN 的液滴數(shù)量遠(yuǎn)高于 CrN，這一 缺陷嚴(yán)重限制了其在高端涂層制備領(lǐng)域的廣泛應(yīng) 用。另外，對(duì)于一些高純度高熔點(diǎn)或無法蒸發(fā)離化 的靶材（Mo 靶、Si 靶和 B 靶等），電弧弧斑放電不 穩(wěn)定或無法起弧，而在濺射源（HiPIMS）上工作穩(wěn) 定，能被較好地原子化和離子化。HiPIMS 與電弧 復(fù)合可將電弧無法蒸發(fā)離化或產(chǎn)生液滴含量高的 靶材應(yīng)用于 HiPIMS 源，降低涂層表面粗糙度。
采用 HiPIMS/AIP 復(fù)合技術(shù)沉積涂層時(shí)，高密 度等離子體使氣體和金屬電離增強(qiáng)，涂層的表面平 滑度和機(jī)械性能提高。Chang 等[87] 將真空電弧蒸 發(fā)（Vacuum Arc Evaporation，VAE）與 HiPIMS 技術(shù) 結(jié)合沉積TiN 涂層，在單一 VAE 模式下，涂層柱狀 晶的平均尺寸為 121 nm，當(dāng) HiPIMS 功率增加到 4 kW時(shí)，晶粒細(xì)化（47.8 nm）。該團(tuán)隊(duì)還報(bào)道了用 HiPIMS/ CAE（陰極電弧蒸發(fā)）沉積 TiN 的工藝，研究發(fā)現(xiàn)，涂層表面宏觀顆粒數(shù)量和尺寸與占空比呈正相關(guān)，降 低占空比能夠減小涂層中柱狀晶尺寸，增加納米晶 數(shù)量，從而引入更多的晶界來抵抗位錯(cuò)[88]，增加離 子轟擊通量可以有效去除涂層生長(zhǎng)過程中形成的 松散顆粒。
Singh 等[89] 使用電弧增強(qiáng) HiPIMS 技術(shù) 制備 AlCrN 涂層，其致密的微觀結(jié)構(gòu)有效阻礙了氧 原子向基體方向的擴(kuò)散，而使涂層具有優(yōu)異的抗氧 化性。Ding 等[90] 采用 HiPIMS /AIP 復(fù)合技術(shù)沉積 具有非晶Si3N4 包裹 Cr（Mo）N 納米晶的 Cr-Mo-Si-N納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層，涂層硬度最高可達(dá) 26.5 GPa。 歐瑞康巴爾查斯（Oerlikon Balzers）推出的 H13 涂層 技術(shù)結(jié)合了電弧蒸發(fā)、HiPIMS 和電弧增強(qiáng)輝光放電 三重增強(qiáng)電離，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微合金化、摻雜以及層結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)的調(diào)控，同時(shí)保證了經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)。H13系列涂層刀具在加工 42CrMo4 零件時(shí)展現(xiàn)出卓越 的切削性能，能夠完成多達(dá) 2001 個(gè)零件的加工。
HiPIMS 技術(shù)對(duì)等離子體氣氛要求較高，如通 入氧氣時(shí)易產(chǎn)生打弧現(xiàn)象，對(duì)沉積氧化物影響較大。Geng 等[91] 通過 CAE/HiPIMS 復(fù)合技術(shù)在不同 O2進(jìn)氣方式下沉積了 Cr-O/Al-O 涂層，并與用 CAE 制 備的（Cr，Al）2O3 涂層進(jìn)行了對(duì)比，圖 10 為幾種涂 層的表面形貌和截面形貌，其中（a）（d）為復(fù)合技術(shù) 制備Cr-O/Al-O 涂層（O2 從 HiPIMS 靶材附近通入）； （b）（e）為復(fù)合技術(shù)制備 Cr-O/Al-O 涂層（O2 從CAE靶材附近通入）；（c）（f）為電弧蒸發(fā)制備（Cr，Al）2O3涂層。采用復(fù)合技術(shù)制備的 Cr-O/Al-O 涂層表面 缺陷明顯少于用 CAE 制備的（Cr，Al）2O3 涂層。
采用復(fù)合技術(shù)制備的 Cr-O/Al-O 涂層，如圖 10（a）（b）所示，表面缺陷明顯少于用 CAE 制備的（Cr，Al）2O3，如圖 10（c）所示。另外，由于 HiPIMS 源 Al 靶對(duì) O2 的敏感性較高，當(dāng)從 CAE 源 Cr 靶附近通入 O2 時(shí)，能夠更有效地控制氧氣流量范圍，使涂 層表面顆粒數(shù)量減少，同時(shí)抑制 HiPIMS 源濺射過 程中的打弧放電。
HiPIMS/AIP 復(fù)合技術(shù)結(jié)合了 HiPIMS 的低表 面粗糙度和 AIP 的高沉積速率，可以有效增強(qiáng)氣體 和金屬的電離，減少涂層表面的宏觀顆粒數(shù)量和尺 寸，細(xì)化晶粒，提高了涂層的機(jī)械性能和硬度。此 外，該復(fù)合技術(shù)還能通過調(diào)控氧氣進(jìn)氣方式來抑 制 HiPIMS 源打弧放電，進(jìn)一步提升了涂層的質(zhì)量。 但這種復(fù)合技術(shù)需平衡濺射與電弧氣壓，并精確控 制各工藝參數(shù)以實(shí)現(xiàn)最佳性能。
3、HiPIMS 復(fù)合技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及展望
3.1 在硬質(zhì)涂層與耐磨材料中的應(yīng)用
HiPIMS 技術(shù)作為一種先進(jìn)的表面處理技術(shù)，憑借其獨(dú)特的脈沖放電模式，在硬質(zhì)涂層領(lǐng)域展現(xiàn) 出了顯著優(yōu)勢(shì)。特別是在現(xiàn)代加工制造業(yè)領(lǐng)域，高 性能刀具涂層技術(shù)對(duì)于提升加工效率、延長(zhǎng)刀具 服役壽命及降低生產(chǎn)成本起著至關(guān)重要的作用[92-93]。Ganesan 等[94] 采用雙極 HiPIMS 技術(shù)在 WC-Co 刀 片上沉積非晶碳膜，并進(jìn)行切削退火馬氏體時(shí)效鋼 試驗(yàn)，結(jié)果表明，與脈寬為 0 μs 的 DCMS 相比，當(dāng) 脈寬為 150 μs時(shí)，在給定的加工時(shí)間內(nèi)，后刀面磨 損量減少了近 50%，刀具的使用壽命增加了近 2 倍。Tillmann 等
[95] 使用 DCMS/HiPIMS 復(fù)合技術(shù)顯著 提 高了 TiAlSiN 涂 層 刀 具 的 切 削 性 能 ， DCMS/HiPIMS-TiAlSiN 涂層刀具的后刀面磨損寬度僅為67 μm 左右，而 DCMS-TiAlSiN 涂層刀具的后刀面 磨 損寬 度 約為 108 μm。 Moirangthem 等[96] 使 用HiPIMS-MFMS 技術(shù)在室溫且不施加偏壓條件下沉 積了AlCrNbSiTiBN 涂層，其耐腐蝕性比 AISI 304不銹鋼提高 10.3 倍。近年來，HiPIMS 技術(shù)與多種 物理氣相沉積方法的復(fù)合應(yīng)用逐漸受到關(guān)注，Tang 等[97] 采用由 RF 和 HiPIMS-MFMS 復(fù)合鍍膜 系統(tǒng)沉積的 ZrSiN涂層將 AISI 304 不銹鋼基體的 耐蝕性提高了 8~15 倍。Lu 等[98] 利用 DC、RF 和HiPIMS-MF 復(fù)合技術(shù)，有效解決了 Ti 靶（HiPIMSMF模式）中毒的問題，并獲得了硬度高達(dá) 34.1 GPa，平均摩擦系數(shù)低至 0.46的 CrTiBN 涂層。
摩擦系數(shù)低至 0.46 的 CrTiBN 涂層。 針對(duì)極端服役環(huán)境，如高溫、高壓及高腐蝕等 條件，傳統(tǒng)材料的性能往往受限。用 HiPIMS 復(fù)合 技術(shù)制備高性能的硬質(zhì)涂層，為耐磨部件在極端環(huán) 境下的應(yīng)用提供了可能[99]。Qin 等[100] 采用 DCMS 和 HiPIMS 復(fù)合技術(shù)研究了 MoS2-Ti 復(fù)合涂層的摩 擦學(xué)行為，結(jié)果表明，適量 Ti（原子數(shù)約 13.5 %）的 摻入顯著提升了涂層的耐磨性，涂層的平均摩擦系 數(shù) 低至 0.04。 Zhang等[101] 采 用 DCMS/HiPIMS 復(fù) 合技術(shù)制備了摩擦系數(shù)和磨損率分別低至 0.08 和4.3×10?5 mm3·N?1·m?1 的 VAlN/Ag 多層涂層， Ag 層 表現(xiàn)出納米孿晶結(jié)構(gòu)，經(jīng) 300 ℃ 的高溫摩擦試驗(yàn)后，內(nèi)部相結(jié)構(gòu)保持不變。Gui 等[102] 利用該復(fù)合沉積 技術(shù)制備的 TiAlCrN 陶瓷涂層硬度 為 28.3 GPa，摩擦試驗(yàn)中在磨損軌跡處形成的致密界面氧化物 層有效提升了涂層的耐磨性，磨損率低至 8.9× 10?17 m3·N?1·m?1。Lou 等[103] 報(bào)道了用 HiPIMS-MFMS復(fù)合技術(shù)制備 nc-TiC/a-C:H 納米復(fù)合涂層的研究，該 涂層具有高硬度、高耐磨性以及優(yōu)異的耐硫酸腐 蝕性能，成為惡劣環(huán)境應(yīng)用中很有前景的防護(hù)涂層。
將 HiPIMS 技術(shù)與其他 PVD 技術(shù)復(fù)合，能夠提 高涂層的耐磨性及耐腐蝕性，提升加工精度與效率，顯著提升工具和零部件的使用壽命，為其在極端環(huán) 境下的應(yīng)用提供前提條件，在高端制造方面應(yīng)用潛 力巨大。
3.2 在功能涂層與器件領(lǐng)域的應(yīng)用
HiPIMS 復(fù)合技術(shù)在光伏器件及與半導(dǎo)體相關(guān) 涂層的制備中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。Lin 等[104] 采用HiPIMS/DCMS 復(fù)合技術(shù)在硬質(zhì)合金上沉積了 HfBx涂層，該涂層具有高達(dá) 49.3 GPa±3.6 GPa 的超高硬 度和 667.0 GPa±9.2 GPa 的楊氏模量，可用于航空 航天、熱光伏器件和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體。擴(kuò) 散屏障是集成電路中至關(guān)重要的組成部分，屏障失 效會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)散形成銅硅化物，嚴(yán)重影響器件性能和 壽命。
Mühlbacher 等[105] 通過 DCMS/HiPIMS 復(fù)合技 術(shù)在無加熱條件下制備了 Ti0.84Ta0.16N 阻擋層，900 ℃退火后，Ti0.84Ta0.16N 涂層中僅有輕微的 Cu 擴(kuò)散現(xiàn)象，滿足半導(dǎo)體行業(yè)日益嚴(yán)苛的溫度要求。WN 涂層因其硬度高、熱穩(wěn)定性好、電阻率低等優(yōu)勢(shì)，在半 導(dǎo)體行業(yè)中常用作擴(kuò)散阻擋層、電容器和場(chǎng)效應(yīng) 晶體管（FET）中的電極防護(hù)涂層，Lou 等[106] 使用HiPIMS/MF 復(fù)合系統(tǒng)制備的 WN0.12 涂層具有 0.33的低摩擦系數(shù)和 31.5 GPa 的高硬度。
在核反應(yīng)堆領(lǐng)域，核燃料后處理時(shí)相關(guān)零部件 常處于濃硝酸強(qiáng)腐蝕狀態(tài)下。Chabanon 等[107] 在304 L 奧氏體不銹鋼上沉積的 Zr/ZrO2 涂層，在硝酸 介質(zhì)中浸泡 9 天后，表面無明顯變化，而無涂層樣品 出現(xiàn)晶間腐蝕，表面出現(xiàn)了顆粒和裂紋。Ammendola 等[108] 通過 BP-HiPIMS 技術(shù)在 Cr-4 合金上沉積Cr 涂層，主要應(yīng)用作核反應(yīng)堆零部件，經(jīng) 84 天的 高壓釜暴露后，與無涂層的 Cr-4 合金相比，DCMSCr涂層樣品增重減少了 61%，而 HiPIMS-Cr 和 BPHiPIMS-Cr涂層樣品增重分別減少了 80% 和 90%。SiC 已成為輕水反應(yīng)堆中用于核燃料包殼和管道 箱等核心部件材料， Mouche 等[109] 采 用 HIPIMS/ CAE 復(fù)合技術(shù)在 SiC 基體上制備 Cr 涂層，先用HiPIMS 沉積 Cr 層，再用 CAE 沉積 Cr 層，顯著改 善了涂層結(jié)合力，減少了涂層的開裂和剝落。
汽車行業(yè)對(duì)涂層的熱機(jī)械穩(wěn)定性要求較高。 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所采用 HiPIMS/AIP 復(fù)合技術(shù)研制 了 TiCN、CrAlSiN、DLC 等系列三元、四元高硬高 溫涂層，并應(yīng)用于長(zhǎng)春一汽的壓鑄模具、熱鍛模具，使模具的加工壽命提高 3~5 倍以上，尤其是含釔高 溫涂層，實(shí)現(xiàn)了 800~1 200 ℃ 環(huán)境下涂層在熱鍛模 具上的工程應(yīng)用。荷蘭豪澤（Hauzer）公司研發(fā)的Flexicoat 1500 系統(tǒng)同時(shí)配備 HiPIMS、電弧和離子 滲氮等六種沉積技術(shù)，最大載重可達(dá) 3 000 kg。用 該系統(tǒng)的復(fù)合技術(shù)制備的涂層用在水龍頭、淋浴 噴頭等衛(wèi)浴五金件上，能有效減少指紋殘留，保持 五金件表面清潔亮麗，減少清潔維護(hù)的頻率；用在 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件上，能減少熱傳導(dǎo)，有助于降 低發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度，減少燃油消耗；用在大尺寸 成型模具上，能減少被加工材料在模具表面的黏附，簡(jiǎn)化清理過程，提高生產(chǎn)效率，減少模具在生產(chǎn)過 程中的磨損，延長(zhǎng)模具壽命，降低更換成本。Carlos等[110] 使用 HiPIMS 和 DC 偏壓技術(shù)優(yōu)化 Nb/Cu 涂 層性能。研究發(fā)現(xiàn)，較高的直流電壓可以改善入射 離子通量的方向性，增強(qiáng)吸附原子遷移率，消除涂 層沉積過程中的自陰影效應(yīng)，制備出表面平滑致密 的涂層，他們認(rèn)為該技術(shù)可應(yīng)用于射頻超導(dǎo)腔。
HiPIMS 復(fù)合技術(shù)在功能涂層與器件領(lǐng)域展現(xiàn) 出顯著優(yōu)勢(shì)，能夠有效提升材料表面平滑度和硬度、耐磨性、耐腐蝕性等，廣泛應(yīng)用于光伏器件及核反 應(yīng)堆零部件用涂層等領(lǐng)域，在國(guó)防軍工等跨學(xué)科領(lǐng) 域有較大應(yīng)用潛力。
3.3 HiPIMS 復(fù)合技術(shù)展望
隨著環(huán)境污染的不斷加劇，環(huán)境凈化涂層材料 的研發(fā)與應(yīng)用已成為環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方 向。光催化環(huán)境凈化技術(shù)是一種利用光催化劑在 光照條件下分解或轉(zhuǎn)化有害物質(zhì)的技術(shù)，具有綠色、環(huán)保、高效節(jié)能等優(yōu)勢(shì)。Zinai 等[111] 使用 HiPIMS技術(shù)在 Si 基體上制備 TiO2 涂層，并研究了其光學(xué)性能，結(jié)果表明：與無涂層 Si 基體相比，涂覆 TiO2涂層的 Si 基體在 300~1 200 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)反射率 顯著下降；無涂層 Si 樣品的紫外線阻擋比例約為40%，而涂覆 TiO2 防護(hù)層的 Si 樣品紫外線阻擋比 例約 21%，從而在硅太陽能電池上達(dá)到良好的抗反 射和防紫外線效果。Abidi 等[112] 使用 HiPIMS 技術(shù) 在滌綸布上制備了CuxO/TiO2 光催化劑涂層，在日 光照射下，該涂層對(duì)高濃度的三氯甲烷和丁醛的降 解效率分別達(dá)到 90%和 85%，同時(shí)具有較高的抑 菌活性。在 80 A 濺射條件下制備的 CuxO/TiO2 光 催化涂層在 2 h 內(nèi)實(shí)現(xiàn)了細(xì)菌的完全滅活，可應(yīng)用 于在室內(nèi)空氣中凈化紡織品。Ratova 等[113] 采用HiPIMS 技術(shù)將 W 元素?fù)诫s在TiO2 涂層中，并通過 亞甲基藍(lán)染料的降解率評(píng)估其光催化活性，結(jié)果表 明，盡管在紫外光照射下未觀察到光催化活性的顯 著提升，但在熒光燈和可見光條件下，該涂層表現(xiàn) 出對(duì)亞甲基藍(lán)的很強(qiáng)的降解能力，為室內(nèi)光催化應(yīng) 用提供了有力支持。在醫(yī)療領(lǐng)域，HfO2 涂層常用 作高性能擴(kuò)展柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，用于檢測(cè)阿爾茨 海默癥等與帕金森相關(guān)的 pH 值和蛋白質(zhì)，目前主 要采用 HiPIMS 技術(shù)制備該涂層，未來期望采用HiPIMS 復(fù)合技術(shù)優(yōu)化 HfO2 生物傳感器涂層的穩(wěn) 定性和 pH 檢測(cè)中的靈敏度，使該生物傳感器應(yīng)用 于檢測(cè)其他蛋白質(zhì)型生物標(biāo)志物，并構(gòu)建多傳感器 陣列，用于早期篩查患者[114]。在過去的十年中，對(duì) 用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的涂層材料的需求有了巨大的 增長(zhǎng)，例如骨科植入物、牙根、心血管支架、心臟 瓣膜和其他外科器械以及藥物緩釋涂層等。目前，HiPIMS 技術(shù)已被應(yīng)用于制備多種生物醫(yī)學(xué)涂層，包括 DLC、NbO、NiTi 和 TiOxNy 等[115-116]，在未來的 技術(shù)發(fā)展與更新迭代中，利用 HiPIMS 復(fù)合技術(shù)有 望制備高純度高性能的涂層，在新能源和醫(yī)療等跨 學(xué)科領(lǐng)域應(yīng)用中發(fā)揮作用。
隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來 HiPIMS 復(fù)合技術(shù) 有望實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)的脈寬控制。通過精確調(diào)節(jié)脈 沖持續(xù)時(shí)間，進(jìn)一步優(yōu)化等離子體的密度和能量分 布，從而提高涂層的沉積質(zhì)量和一致性。另外，通 過不同電源的匹配復(fù)合系統(tǒng)提高電源的效率和穩(wěn) 定性 ，從而使 HiPIMS 放電過程更穩(wěn)定。
4、總結(jié)與展望
HiPIMS 技術(shù)作為材料表面改性領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān) 鍵性創(chuàng)新成果，促進(jìn)了材料性能提升和新型功能材 料的研發(fā)，但其低的沉積速率限制了其發(fā)展應(yīng)用。
為克服其局限性，研究者們采用波形疊加和同步偏 壓等技術(shù)對(duì)其優(yōu)化，通過與其他技術(shù)的復(fù)合和增加 輔助裝置進(jìn)行不斷改進(jìn)，均在一定程度上提高了沉 積速率，并改善了涂層性能。未來對(duì)于 HiPIMS 復(fù) 合技術(shù)的進(jìn)一步研究，應(yīng)聚焦于通過調(diào)控電源模式 及脈沖相關(guān)參數(shù)來提高 HiPIMS 復(fù)合技術(shù)的穩(wěn)定 性，降低成本，解決離化率損失和工藝復(fù)雜等難題。 在保證高沉積速率條件下如何有效調(diào)控真空室內(nèi) 等離子體，仍是該技術(shù)工業(yè)化推廣應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。 另外，未來發(fā)展的方向還包括其在特定領(lǐng)域的跨學(xué) 科應(yīng)用，以推動(dòng)該技術(shù)向更高水平發(fā)展。
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