随着涂层从第一代的单元到第二代的多元,发展到现在第四代的纳米多层和超晶格,膜层性能逐渐提高,但其膜基结合力却受到越来越严峻的挑战。等离子源离子注入与沉积(PBII&D)技术作为一种高结合力的高性能涂层制备方法曾被寄予厚望,但由于其配备的金属离子源——脉冲阴极弧源产生的金属等离子体中含有大量“金属液滴”,严重影响注入效果和薄膜质量,其应用受到限制。针对这个问题,本文提出采用高功率脉冲供电的磁控溅射源结合高压注入技术形成一种新的PBII&D方法——高功率脉冲磁控源离子注入与沉积技术(HPPMS-PIID),对其放电特性、等离子体特性和沉积CrN薄膜特性进行了深入研究。　　采用并联结构研制了高功率复合脉冲磁控溅射电源,通过不同的功率输出可以实现常规的直流磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射及直流和脉冲复合的高功率复合脉冲磁控溅射。为了实现离子注入与沉积,研制了高功率复合脉冲磁控溅射电源和高压脉冲电源的脉冲匹配电路,使得两电源输出脉冲频率相同,脉宽和相位独立可调。通过对两电源输出脉冲脉宽和相位的调节,可以实现注入与沉积、全注入和选择注入等薄膜沉积模式。　　通过对HPPMS-PIID系统放电测试,获得稳定强烈的放电,负高压的施加,吸引大量的离子到达基体,大大提高了基体电流值。在Cr靶放电时,发现随靶电压的增加顺序出现低稳定放电状态、中间不稳定放电状态和高稳定放电状态,分析了其不稳定阶段的产生机制,认为其产生是由靶电流的快速增加所引起的温度震荡作用于靶前放电气体浓度影响后续脉冲放电所造成的。　　通过对HPPMS-PIID放电的测试和分析,发现随靶电压的增加,系统放电呈现出的五个典型的放电阶段,根据对五个放电阶段的典型特征和六个靶电流特征参量变化的深入研究,得出不同的工艺参数对HPPMS-PIID放电的影响规律。工作气压主要影响系统中气体粒子数量,因此主要通过增加靶电流峰值促进放电。复合直流主要影响系统中溅射粒子的数量,故其主要通过影响靶电流平台值促进放电。负高压能与靶电压形成空心阴极效应,极大的提高了系统等离子体密度,故不仅可以促进放电,还可延缓靶电流到达峰值之后的下降过程,使放电各阶段之间的过渡更平缓。靶材料主要通过溅射产额与电离能作用等离子体成分,较高溅射率的靶材料放电稳定,各阶段过渡缓和,反之放电不稳定,很容易产生“打弧”现象。　　采用光谱仪对靶前等离子体特性进行测试,发现 HPPMS放电时靶前等离子体成分相对DCMS有较大变化,其成分主要由 Ar(1+)、Cr(0)和Cr(1+)组成,在靶电压较高时还出现大量的高价氩离子和铬离子。选取含量较多的Ar(0)、Ar(1+)、Cr(0)和Cr(1+)各四条光谱线,研究了其谱线强度随靶电压的变化。发现随靶电压的增加,Ar(0)因温度增加而少量下降,其他三种粒子的光谱强度均增加;工作气压的增加提高了空间等离子体能耗,减弱了放电强度,各粒子的光谱强度均大幅度下降;复合直流提高了总功率,进而较大的增加 Cr的溅射产额,故各粒子光谱强度增加,只有 Cr(1+)由于直流预离化导致电子密度下降而相对无直流时稍微下降;负高压与靶电压引起空心阴极效应,极大的促进了各粒子光谱强度的提高,尤其是靶电压较高时,空心阴极效应更强烈;负高压与靶距离增加,空心阴极效应减弱,除Ar(0)外,其他粒子的光谱强度均下降。　　计算了靶前等离子体中Ar和Cr的离化率,发现等离子体中Ar和Cr的离化率非常高,最高分别可达97.8％和68.8%。各粒子离化率随工作气压的增加而下降;在复合直流施加后,离化率大幅度下降,但随直流进一步增加,气体离化率又上升;负高压与靶电压产生的空心阴极效应能够大幅度提高气体离化率,但使金属离化率下降,随与靶距离的增加离化率都下降。　　分别采用DCMS、HPPMS和不同负高压时的HPPMS-PIID方法制备了CrN薄膜,并对其形貌、结构及性能进行测试和对比研究。结果表明相对常规方法制备的薄膜,HPPMS-PIID方法制备的薄膜表面粗糙度较大,但突起细小,无“大颗粒”产生,薄膜致密、无缺陷,呈不连续的柱状晶生长。基体负高压的增加不仅使系统等离子体中更多的离子被吸引到基体,大幅度的提高了薄膜沉积速率,同时高能离子的注入与轰击效应使薄膜与基体之间产生较深的注入层和外延生长,极大的提高了膜基结合力,其临界载荷高达59.9N。通过对各样品进行高温退火后的相结构、纳米硬度和电化学腐蚀行为测试,发现 HPPMS-PIID方法制备的CrN薄膜相结构单一,即使在800℃退火后,其表面都没有出现明显的氧化,电化学腐蚀性能保持良好,但其纳米硬度由于薄膜由单相 CrN转变为CrN和Cr2N双相共存而出现一定下降。