磁控溅射在薄膜制备领域具有广泛的应用,随着工业技术的发展,传统的磁控溅射已经不能满足对薄膜性能日益增长的高要求。高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)具有高峰值功率,高靶材粒子离化率,低平均功率的特点,制备的薄膜致密平整,比直流磁控溅射(dc MS)制备的薄膜具有更好的组织结构和性能。由于HPPMS中靶溅射行为和直流磁控溅射有极大不同,而靶材的溅射行为对于镀层质量及工艺控制有很大的影响,必须要展开独立的研究才能获得相关的认识。因此,在高功率脉冲二极溅射、高功率脉冲磁控溅射及高功率脉冲反应磁控溅射中,通过调节外部参数,获得靶电流的变化规律,及靶表面等离子体行为的演变规律,最终制备薄膜来验证高功率脉冲溅射高等离子体密度可以获得高质量的薄膜。以Cu靶为例,对高功率脉冲二极溅射放电特性及等离子体密度变化规律展开研究,制备薄膜并讨论薄膜生长机制。结果表明,气压、电压、脉冲宽度及脉冲频率影响靶电流及基片电流。等离子体密度随气压,电压,脉冲宽度、脉冲频率及基片偏压的增加而增加。薄膜的沉积速率随靶基距的增大而降低,不同靶基距制备出的薄膜表面形貌不同,脉冲宽度增加,薄膜中晶粒有长大的趋势,脉冲频率增加,薄膜中晶粒长大联合形成连续薄膜。基片温度及扩散作用在薄膜生长中起到非常重要的作用,脉冲宽度增大,到达薄膜表面的粒子来不及扩散会导致孔洞的产生,选择合适的脉冲宽度及脉冲频率,可以获得致密的薄膜。对高功率脉冲反应磁控溅射行为进行研究,以典型的薄膜Ti N体系为例,开展高功率脉冲反应磁控溅射制备工艺对薄膜组织结构及性能的影响规律研究。靶电流受到脉冲宽度、靶电压、表面水平磁场、脉冲频率和脉冲宽度的影响,反应气体压强对其影响不大。等离子体密度达到1017m-3量级,受到电压、反应气体压强、磁场的影响。低电压及低磁场强度时,靶表面出现蜂窝状(类山脊状)刻蚀,另一种是较为平整的区域与熔融喷发形貌共存的形貌。靶离子及靶离子的自溅射过程在反应溅射中起到了至关重要的作用,不仅增加等离子体密度,还可以有效的避免反应溅射中滞回线的产生。对比直流制备的薄膜颗粒呈典型的三角锥形,高功率脉冲磁控溅射制备的薄膜均匀平整,颗粒细小,呈等轴晶。Ti N薄膜的硬度均在十几GPa,当N2压强为0.6Pa,靶电压为900V时,薄膜硬度达到最高值19Gpa;膜基结合力随着反应气体压强的增大而降低,随着电压的增大变化不大,HPPMS制备的薄膜膜基结合力高于dc MS制备的薄膜,说明HPPMS可以很好的制备化合物薄膜。对高功率脉冲磁控溅射放电机制及溅射行为进行研究,并以燃料电池连接体保护膜为例,对HPPMS中制备工艺对连接体膜的组织结构及性能影响规律展开研究。靶电流受到脉冲宽度、电压,溅射时间及靶表面最大水平磁场的影响,放电分为四个阶段,溅射阈值、溅射产额及离化能影响不同阶段靶电流的变化。等离子体密度达到1017m-3量级,材料的溅射产额和离化能对靶溅射体积影响很大,高溅射产额低离化能的材料具有更高的靶溅射速率。Cu靶中,靶表面形貌呈山脊状,不同电压,溅射时间及靶表面水平磁场对靶表面的形貌影响不大,在高电压时会出现熔坑形貌。采用HPPMS制备的燃料电池连接体保护膜具有很好的致密性,薄膜平整,晶粒细小,低温退火后依然具有很好的表面质量。保护膜具有优异的长期稳定性及阻Cr性能。连接体与阴极封装后电池获得了稳定功率输出。通过对高功率脉冲溅射特性研究及薄膜制备可以得到,高功率脉冲溅射中,脉冲参数,电压,磁场及靶材料都会影响靶电流,等离子体密度及靶表面形貌。靶材自身的溅射阈值,溅射产额及离化能会影响靶放电状态及溅射行为,靶离子及自溅射过程在高功率脉冲溅射中起到了很大的作用。由于具有高等离子体密度,采用高功率脉冲溅射制备的薄膜均匀平整,致密且晶粒细小,比起直流磁控溅射制备的薄膜性能优良,并且薄膜组织结构可以调控。