HiPIMS技术调控钨氮薄膜生长中高能离子束的作用机制及结构性能优化研究

研究人员针对过渡金属氮化物薄膜在防护涂层、微电子扩散屏障及核聚变等领域应用时面临的结晶质量差、残余应力高等问题，采用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术，通过调控N2/Ar流量比和基底偏压参数，实现了对WNx薄膜形貌与结构的精确控制。研究发现同步偏压促进β-W2N结晶，而延迟偏压诱导非晶化，结合电离区域模型(IRM)揭示了等离子体组分演变规律，为功能涂层设计提供了新策略。

　　

在材料表面工程领域，过渡金属氮化物薄膜因其优异的硬度、耐磨性和热稳定性，被广泛应用于防护涂层、微电子器件和核聚变装置。然而，传统磁控溅射技术制备的钨氮(WN_x)薄膜常面临结晶质量差、需高温退火等问题，且难以平衡非晶态扩散屏障与纳米晶耐磨涂层的性能需求。这些挑战严重制约了WN_x薄膜在极端环境下的应用效果。

米兰理工大学能源系（Politecnico di Milano, Dipartimento di Energia）的研究团队创新性地采用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术，通过精确调控等离子体环境中的高能离子束参数，成功实现了对WN_x薄膜从非晶到纳米晶结构的可控生长。这项突破性研究发表在《Surface and Coatings Technology》期刊，为开发新一代高性能功能涂层提供了重要理论依据和技术路径。

研究团队综合运用光学发射光谱(OES)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和拉曼光谱等技术表征薄膜特性，并建立电离区域模型(IRM)模拟等离子体动力学过程。通过设计不同N₂/Ar流量比（10%-75%）和脉冲偏压参数（50V/200V，同步/延迟60μs），系统研究了工艺条件-等离子体特性-薄膜性能的构效关系。

HiPIMS等离子体表征

放电波形和OES分析揭示，增加N₂流量导致阴极电压升高（700V→950V），但峰值电流密度降低至0.7-0.8A/cm²。不同于直流磁控溅射(DCMS)，HiPIMS等离子体显著抑制N₂⁺发射峰，表明强烈的气体稀薄化效应和原子氮优势生成，这种独特的等离子体环境为后续薄膜生长奠定了重要基础。

等离子体组分对薄膜特性的影响

EDX显示氮含量随N₂流量线性增加至50at.%，但密度在超过50%N₂时骤降（18.8→11.5g/cm³）。结构分析表明：低氮条件（10-25%N₂）形成非晶W(N)，50%N₂时出现β-W₂N纳米晶（晶粒尺寸6nm）与非晶混合相，75%N₂则获得纯β-W₂N但晶格膨胀3%。SEM观察到从致密非晶（10%N₂）到纳米柱状（50%N₂）的形貌演变，证实等离子体组分对生长模式的显著调控作用。

离子能量与通量的调控机制

脉冲偏压实验显示：50V偏压（无论同步或延迟）均促进β-W₂N结晶，延迟偏压使(111)峰半高宽从1.7°降至1.3°；而200V延迟偏压则诱导非晶化，形成特征衍射宽峰（半高宽6.4°）。IRM模拟阐明其机理：同步偏压阶段主要存在Ar⁺和N₂⁺，而延迟60μs恰逢W⁺主导的等离子体后辉期，高能W⁺轰击（通量占比39%）导致持续再结晶抑制。

该研究通过HiPIMS技术实现了WN_x薄膜结构的精准调控，同步偏压促进β-W₂N纳米晶生长，延迟高能偏压诱导非晶化，二者硬度分别适用于耐磨涂层和扩散屏障。IRM模型首次定量揭示了Ar-N₂混合等离子体中W⁺的主导作用，为优化工艺参数提供了理论指导。这项成果不仅推动了过渡金属氮化物薄膜制备技术的发展，更为核聚变装置等离子体-facing材料、微电子铜互连屏障等关键应用提供了新材料解决方案。研究揭示的"等离子体环境-离子轰击-薄膜生长"关联规律，对开发其他高性能氮化物涂层具有普适性指导意义。