书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
高功率脉冲磁控溅射试验平台设计及放电特性研究
高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)因其高离化率而得到广泛关注，是目前的热点研究方向，为此我们搭建了试验平台并对HPPMS 的放电特性进行了研究。结果表明：脉冲峰值电流随脉冲电压的增加而增加，随着气压的增加而增加。本文为进一步研究高功率脉冲磁控溅射提供了硬件条件和参考。
近年来发展的高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)技术，它的峰值功率可以比
普通磁控溅射高两个数量级，金属离子离化率可达70%以上[1]，脉冲电流能达到几个A/cm2 以上，某种程度上，高功率脉冲磁控溅射集中了直流溅射和电弧的优点。高功率脉冲磁控放电的电流密度、电离率远远高于通常的直流磁控技术，许多复杂的动力学现象目前仍然无法解释清楚，为此，我们搭建了试验平台并对HPPMS 的放电特性进行了研究，测量了气压、峰值电压对电压、电流波形的影响，为进一步研究高功率脉冲磁控溅射提供了硬件条件和参考。
1、试验平台搭建及实验过程
1.1、试验平台的搭建
试验在一个高120 cm，直径100 cm 的圆柱形真空室中进行，安装了一个直径为5cm 的圆形平面磁控靶。磁控溅射靶的磁钢放置于靶材的后面,穿过靶材表面的磁力线在靶材表面形成磁场。其中平行于靶面的磁场B 和垂直靶表面的电场E,形成平行于靶面的漂移场E 乘以B。漂移场E 乘以B 对电子具有捕集阱的作用, 从而增加了靶面这一区域的电子密度, 提高了电子与中性气体分子的碰撞几率,强化了溅射气体的离化率,从而增加了溅射速率。磁控溅射靶跑道的形状是由靶材后面的磁场结构所决定的。提高靶材利用率的关键是调整磁场结构和磁场强度, 使等离子体存在于更大的靶面范围, 实现靶面的均匀溅射，这样就
激光脉冲的平均功率和功率， 设脉冲激光器输出的单个脉冲持续时间（脉冲宽度）为：t,（实际为FWHM宽度） 单个脉冲的能量：E, 输出激光的脉冲重复周期为：T, 那么,激光脉冲的平均功率Pav = E/T,（即在一个重复周期内的单位时间输出的能量） 脉冲激光讲峰值功率（peak power）Ppk = E/t 能量密度=（单脉冲能量*所用频率）/光斑面积算 通常也用单位时间内的总能量除以光斑面积 峰值功率=脉冲能量除以脉宽 平均功率=脉冲能量*重复频率（每秒钟脉冲的个数） 脉冲激光器的能量换算 脉冲激光器的发射激光是不连续，一般以高重频脉冲间隔发射。发射能量以功的单位焦耳J） 计，即每次脉冲做功多少焦耳。 连续激光器发射的能量以功率单位瓦特（W）计量，即每秒钟做功多少焦耳，表示单位时间内 做功多少。 瓦和焦耳的关系：1W=1J/秒。 一台脉冲激光器，脉冲发射能量是1焦耳/次，脉冲频率是50Hz,则每秒钟发射激光50次，每秒钟内做功的平均功率为：50X 1焦耳=50焦耳，所以，平均功率就换算为50瓦。再举例 说明峰值功率的计算，一台绿光脉冲激光器，脉冲能量是0.14mJ/次，每次脉宽20 ns,脉冲 频率100kHz， 平均功率为：0.14mJ X 100k=14J/s=14W，即平均功率为14瓦；峰值功率是每次脉冲能量与脉宽之比，即 峰值功率：0.14mJ/20ns=7000W=7kW，峰值功率为7千瓦。 要想知道镜片的脉冲激光损伤阈值是否在承受极限内，既要计算脉冲激光的峰值功率，也要计算脉冲激光的平均功率，综合考虑。 如某ZnSe镜片的激光损伤阈值时是500MW/cm2,使用在一台脉冲激光器中，脉冲激光器的 脉冲能量是10J/cm2，脉宽10ns，频率50kHz。首先，计算平均功率：10J/cm2 X 50kHz =0.5MW/cm2 其次，再计算峰值功率：10J/cm2 / 10ns = 1000MW/cm2 从脉冲激光器的平均功率看，该镜片是能承受不被损伤的，但从脉冲激光器的峰值功率看， 是大于该镜片的激光损伤阈值的。所以，综合判断，该ZnSe镜片不宜用于此脉冲激光器。如果有条件，对脉冲激光器镜片，应当分别测试平均功率和峰值功率的激光损伤阈值。 Ave. Power :平均功率Pulse energy :脉冲能量Pulse Width :脉宽Peak Power:峰值功率Rep. Rate :脉冲频率ps：皮秒，10-12 S ns：纳秒，10-9S M: 兆, 106 J:焦耳W:瓦 氙灯作为激光设备一个常用光源，通常被人们也叫做激光氙灯、脉冲氙灯。氙灯是一 种填充氙气的光电管或闪光电灯。氙气化学性质不活泼，不能燃烧，也不助燃。是天然的稀
1绪论 1.1论文的研究背景 电源设备用以实现电能变换和功率传递，是一种技术含量高、知识面宽、更新换代快的产品。现今已广泛应用到工业、能源、交通、运输、信息、航空、航天、航运、国防、教育、文化等领域。在信息时代，上述各行各业都在迅猛地发展，发展的同时又对电源产业提出了更多更高的要求。显然，电源技术的发展将 带动相关技术的发展，而相关技术的发展反过来又推动了电源产业的发展。当前在电源产业，占主导地位的产品有各种线性稳压电源、通讯用的AC y DC开关电源、DC y DC开关电源、交流变频调速电源、电解电镀电源、高频逆变式整流焊接电源、中频感应加热电源、电力操作电源、正弦波逆变电源、大功率高频高压直流稳压电源、绿色照明电源、化学电源、UPS可靠高效低污染的光伏逆变电 源、风光互补型电源等。而与电源相关的技术有高频变换技术、功率转换技术、数字化控制技术、全谐振高频软开关变换技术、同步整流技术、高度智能化技术、电磁兼容技术、功率因数校正技术、保护技术、并联均流控制技术、脉宽调制技术、变频调速技术、智能监测技术、智能化充电技术、微机控制技术、集成化技术、网络技术、各种形式的驱动技术和先进的工艺技术。 1.2脉冲电源的特点及发展动态 脉冲电源是各种电源设备中比较特殊的一种，顾名思义，它的电压或电流波 形为脉冲状。按脉冲电源的输出特性分类，有高频、低频、单向、双向、高压、低压等不同的分类，具体选择怎样的输出电压、输出电流和开关频率，根据具体的应用场合而定。按脉冲波形分，有矩形波、三角波、梯形波、锯齿波等多种形式，如图1. 1所示。 图1 . 1各种脉冲波形 由于矩形波具有较好的可控性和易操作性，所以这种波形的应用居多。究其本质，
脉冲功率技术 摘要：脉冲功率技术是以较慢的速度将能量储藏在电容器中或者电感线圈中，然后将此电场能获磁场能迅速的释放出来，产生幅值极高的，但持续时间极端的脉冲电压及脉冲电流，从而导致极高功率的脉冲。 关键词：脉冲功率，储能技术 引言：脉冲功率技术中的储能技术包括惯性储能，电容储能，电感储能 一.、脉冲功率技术的发展 脉冲功率技术正式作为一个独立的部门发展,还是近几年的事。事实上作为脉冲功率技术基础的脉冲放电, 早就存在于大自然中。而对脉冲放电的研究则开始于研究天然雷电特性, 以及它对输电线路、建筑物危害及其防护措施。当时这种放电仅限于毫秒级和微秒级。四十年代末期, 就有人开始注意到亚微秒及毫微秒级的高压强流脉冲放电形式。但是, 一方面由于当时客观要求并不迫切；另一方面, 这样快的脉冲放电, 无论在产生技术上, 或者在测量技术上都存在着一定的困难。因此, 其后十多年,这种技术发展并不迅速。六十年代初期, 由于闪光辐射照相和瞬时辐射效应研究的需要, 英国原子能武器研究中心的J.C.马丁所领导的研究小组，开拓了称之为脉冲功率加速器的研究领域, 使毫微秒级脉冲功率技术往前推进了一步。同时, 一些科学技术在发展中受到障碍, 急需找寻新的途径。以微波和激光的发展为例, 利用速调管、行波管等原理去产生大功率高效率毫米或亚毫米微波已经不可能。利用一般方法产生大功率、高效率、波长可调的激光束也不可能。正当人们探索和寻找新的解决途径的时候, 他们发现脉冲功率技术是解决这些问题的良好途径。为此, 美国许多单位, 为桑地亚实验室、物理国际公司、海军研究实验室、康乃尔大学、加利福尼亚大学和斯坦福大学等单位, 对脉冲功
第16卷 第10期强激光与粒子束Vol.16,No.10 2004年10月HIGH POWER LASER AND PARTIC LE BE AMS Oct.,2004 文章编号: 100124322(2004)1021345204 环形磁芯快脉冲动态参数测量方法X 丁臻捷, 苏建仓, 丁永忠, 俞建国 (西北核技术研究所,陕西西安710024) 摘 要: 磁开关压缩脉冲过程中,磁芯磁参数需历经非饱和与饱和两个阶段,磁滞回线变化经历半个周 期,通过测量这一变化过程中通过磁开关绕组的电流和磁通量变化率,可以计算出磁芯的磁滞回线,确定饱和 磁通密度、剩磁等动态参数。讨论了基于高电压放电和脉冲压缩方法测量磁芯动态参数的原理,给出了测试装 置的电路原理和电路元件参数的选择方法,测量了大型磁开关磁芯快脉冲条件下的电参数,计算了相关的磁参 数,给出了实验结果。 关键词: 磁开关; 磁滞回线; 饱和磁通密度; 剩磁; 磁脉冲压缩法 中图分类号: T N78 文献标识码: A 随着材料科学和脉冲功率技术的发展,磁开关技术在铜蒸气激光产生装置[1～3]及全固态高重频脉冲发生器[5]等重复频率脉冲功率技术领域得到了普遍的应用。 磁开关工作时,磁芯需在饱和与非饱和两种状态间来回转化。因此设计磁开关时,不仅要考虑磁芯饱和和非饱和时的磁参数,而且要关心两者之间的转变过程。随着磁芯磁化时间的缩短,变化的磁场会在构成磁芯的薄带之间产生一定的感应电压,因此必须在薄带之间加上适当的涂层用以减小涡流损耗。这样,磁开关磁芯表现的不仅是磁芯的材料性能,还间接反映了磁芯的制造工艺。由于工艺条件的限制,较大体积的磁芯与同种磁性材料小样环的性能有相当大的差别。因此,不能用小样环的性能来表征较大磁芯的整体性能水平。 一般实验室和工厂所用磁芯性能测试设备,由于电源功率的限制,励磁磁场强度在几百A/m到几千A/m 之间,这样的励磁磁场强度对于测试小样环静态、动态特性或较大磁芯的静态特性是足够了,而对于大型磁开关磁芯在快脉冲磁化条件下的性能测试就无能为力了。 本文讨论了基于脉冲压缩方法测量磁芯动态参数的原理,给出了测试装置电路原理和电路元件参数的选择方法,测量了大型磁开关磁芯快脉冲磁化条件下的电参数,计算了相关的磁参数,给出了实测结果。 1 测量原理 1.1 磁性参数测量原理 环形磁芯磁开关的截面如图1所示[5]。图中R i和R o分别为磁开关绕组的内外半径,H为高,r i和r o分别为磁开关磁芯的内外半径,h为高,磁开关绕组匝数为N,通过绕组的电流为i。考虑环形磁芯的对称性,根据安培环路定律,磁芯截面上的平均磁场强度为 H m= Ni 2π(r o-r i) ln( r o r i )(1) Fig.1 Illustration of magnetic switch 图1 磁开关截面图 则磁开关绕组截面上的磁通量 <=μ0M m S m+μ0H t S t(2)式中:M m为磁芯截面上磁化强度的平均值;S m为磁芯的截面积;S t为绕组的截面积;μ0为真空磁导率;H t为磁开关绕组内不含磁芯时的平均磁场强度 H t= Ni 2π(R o-R i) ln( R o R i )(3) 利用公式(2)可以求得与磁开关绕组面积相等的感应线圈 上的感应电压 X收稿日期:2003212226; 修订日期:2004204215 基金项目:国家863计划项目资助课题 作者简介:丁臻捷(1974—),男,硕士,工程师,主要从事脉冲功率技术研究;西安市69226信箱;E2mail:ding family@https://www.doczj.com/doc/d610532136.html,。
高功率脉冲激光应用 High peak power, low power consumption and compact package 峰值功率高，功耗低，紧密封装 Mining, Civil Engineering, Manufacturing, Forest Management, Underwater Topography, … require long range 3D laser scanning and with the most advanced lasers. Keopsys’s KULT (Ultra compact Laser Transmitter) series are the world's most used laser in 3D scanning applications. 采矿、土木工程、制造、森林管理、水下地形等需要远程三维激光扫描和最先进的激光器。Keopsys KULT(超紧凑型激光发射机)系列是世界上使用最多的三维激光扫描设备。 The KULT series, pulsed fiber lasers, cover the major eye safe wavelengths 1,5μm and 2μm but also 532nm and 1μm for specific applications. The KULT lasers provide high energy per pulse in an extremely compact package, making them the preferred lasers in many 3D scanning systems. KULT系列脉冲光纤激光器覆盖主要的人眼安全波长1.5μm、2μm以及532 nm和1μm，用于特定应用场合。KULT激光器在极其紧凑封装的条件下能提供高能量脉冲,使其成为三维激光扫描系统的首选。 In terms of high peak power, power consumption and compact package, KEOPSYS has one of the best offers on the market. We have developed very strong partnership with the leading manufacturers of 3D scanning systems. Our experienced and highly educated team will work with you to design custom solutions for your next generation scanner. 在高峰值功率、低功耗、紧凑封装方面，KEOPSYS拥有市场上最好的产品之一。我们已经和领先的三维扫描系统制造商建立了强力合作关系。我们的经验和高精尖团队将与您合作，为您的下一代扫描设备制定解决方案。 Telemetry for environmental and industrial surveys Range-Finding and Speed sensing for collission avoidance
中南民族大学 硕士学位论文 磁控溅射高频脉冲（A<'2>K）电源的研制 姓名：刘亚东 申请学位级别：硕士 专业：等离子体物理 指导教师：孙奉娄 20080501
摘要 根据调研和文献，对不同的溅射技术进行了比较，针对脉冲磁控溅射（Pulse Megnetron Sputtering（PMS））的特点及受限于电源技术的瓶颈，提出了A2K（Active Arc Killer）电源指标：输出频率最高达300kHz，负向电压在0～-500V可调，负向最大峰值电流达2A，正向电压在0～100V可调，正向最大峰值电流达1A，负向占空比10％～60％范围可调的双向脉冲电源。 为了实现电源指标，分析了拟设计电源的难点：主要是受电力电子器件的限制，电压、电流和频率同时达到所需水平的电力电子器件目前在国内无法找到，即使找到了成本也是相当高。因此，本文从结构上入手，提出了整体的电源解决方案，它由两个独立的DC/DC变换（分别用于调节正、负向电压）、一个斩波系统（用于形成正向脉冲）和一个逆变倍频系统（用于形成负向脉冲）构成。逆变倍频系统及其与斩波系统的配合是核心问题，方案在一定程度上突破了电力电子器件的限制，为溅射电源设计提供了新的方案。 根据总体方案，详细论述了主电路的拓扑选择、功率器件的选择、磁性器件的设计、缓冲电路的选择、控制电路和驱动电路的设计。在比较了各种拓扑优缺点之后，根据电源指标要求，选择了全桥电路作为负向调压系统的DC/DC变换拓扑，正激电路作为正向调压系统的DC/DC变换拓扑，逆变倍频系统也采用全桥逆变，副边采用可控整流。由于对频率有较高要求，功率开关管全部采用功率MOSFET。讨论了中高频下Miller效应对功率开关管驱动的影响及其解决方案，还讨论了缓冲电路的作用及参数选择。 本文还从工程经验上详细描述了电源调试中出现的问题和如何解决这些问题的详细过程。通过示波器检测驱动信号实时波形，验证了Miller效应的影响。通过检测负载电压和电流波形、电源在功能上达到了设计指标。 实际用于磁控溅射实验，与RF、DC溅射进行比较，验证了脉冲溅射的优势和电源的实用性，此电源可作为实验室磁控溅射试验电源。 关键词：脉冲磁控溅射；高频脉冲电源；逆变倍频；Miller效应
磁控溅射法沉积TCO薄膜的电源技术1前言 透明导电氧化物薄膜(TCO薄膜)有着广泛的用途，如作为LCD、OLED显示器面板的电极，作为触摸屏的感应电极，作为薄膜太阳能电池的电极以及作为LED芯片前电极等[1]。 目前，主要的TCO薄膜有氧化铟锡(ITO)、氧化锡(SnO2)、氧化锌铝(AZO)三种[2]，其中SnO2薄膜是最早应用的TCO薄膜，但由于其光电特性相对较差，目前主要应用在一些较低端的使用领域。ITO薄膜是目前光电特性最好，使用范围最广的TCO薄膜，但其同时存在使用稀有元素In，生产成本较高、In元素有毒、在氢等离子工艺氛围中性能退化等缺点。近年来，成本低、性能优良、无毒害的ZnO:Al(AZO)薄膜[3]得到了广泛的关注与研究，有希望替代ITO薄膜。 因此，ITO与AZO材料是当前研究和生产的最主要的TCO材料。 目前，产业界制备ITO、AZO薄膜主要是采用磁控溅射镀膜技术[4][5]。磁控溅射技术基于等离子技术，通常是在存在高电势差的靶(阴极)与阳极之间注入气体(一般为Ar气)，通过等离子辉光放电实现对气体原子的离化，电场与磁场对离子加速和变向，进而轰击靶材表面，导致靶材原子被轰击到空间中，溅射在一块衬底材料上聚集形成薄膜[6]。 对于磁控溅射装置，磁控溅射电源决定了磁控溅射工艺过程等离子体状态，对镀膜工艺和膜层生长质量起着至关重要的作用[7]。随着生产和科技不断发展，用户对产品质量性能的要求越来越高。所以要求磁控溅射镀膜设备具有良好的可靠性、稳定性，有较高的镀膜效率和镀膜质量。 本文将主要描述磁控溅射ITO、AZO两大主要TCO薄膜的核心电源技术的发展现状、最新进展以及未来面临的挑战。 2磁控溅射TCO薄膜的电源技术发展概述 2.1磁控溅射直流电源 磁控溅射电源类型有直流电源、中频电源和射频电源。其中中频电源与射频电源成本较高，且沉积速率偏慢，尤其是射频电源沉积速率慢且由于驻波效应等，不适宜进行大面积镀膜，因此在制备大面积TCO薄膜技术领域应用较少。 TCO薄膜制备以直流磁控溅射技术为主。直流磁控电源简单可靠、工作稳定、功率大、沉积速率快。直流电源主要有恒流、恒压、恒功率等控制模式以恒流磁控溅射直流电源系统为例，其基本原理如图1所示。电路由主电路部分和控制部分组成。电网输入单相交流电，通过工频整流，电感电容整流后为直流电。功率电子器件在控制电路的控制下将直流转换为脉冲交流电。经高频变压器，将交流脉冲升压。然后通过二极管整流和电感滤波输出直流。控制部分由PWM控制、IGBT驱动、恒流控制、过流保护等部分组成。
华中科技大学研究生课程考试答题本 考生姓名李猛虎 考生学号 M201371361 系、年级高电压与绝缘技术2013级类别硕士 考试科目脉冲功率技术 考试日期 2013年12月15日
脉冲功率技术是指把较小功率的能量以较长时间慢慢输入到能储存能量的设备中，然后通过动作时间在毫微秒左右的快速开关将此能量在毫微秒至微秒时间内释放到负载上，以得到极高的功率，实质上是输出功率对输入功率的放大。脉冲功率系统中能量的储存方式有许多种，如电容储能，电感储能，脉冲电机储能以及电池储能等。脉冲功率技术研究的技术指标为：电压1kV~10MV，电子能量0.3~15MeV（电子伏），述流大小1kA~10MA，脉冲宽度0.1~100ns，束流功率0.1~100TW，总能量：1kJ~15MJ。脉冲功率技术的特征是：高脉冲功率，短脉冲持续时间，高电压，大电流。 脉冲功率技术，是以电气科学技术为基础，把电工新技术和高电压－大电流技术融为一体的新型学科。脉冲功率技术在国防科研和高新技术领域有着极为重要的应用,而且现在已经越来越多地应用于工业和民用部门,它是高新技术研究的重要技术基础之一,有着极其广泛的发展和应用前景。 脉冲功率的发展历程 脉冲放电现象存在于大自然。人们最早是在20世纪30年代开始研究脉冲功率现象。1938年，美国人Kingdon和Tanis第一次提出用高压脉冲电源放电产生微秒级脉宽的闪光X 射线；1939年，苏联人制成真空脉冲X射线管，并把闪光X 射线照相技术用于弹道学和爆轰物理学实验。采用高压脉冲电容器并联充电、串联放电方式来获得较高电压脉冲。第二次世界大战期间，企图将脉冲功率技术应用于军事的电磁炮和其他研究再度兴起，也促进了脉冲功率科学技术的形成和发展。1947年，英国人A.D.Blumlien以专利的形式，把传输线波的折反射原理用于脉冲形成线，在纳秒脉冲放电方面取得了突破。1962年，英国原子能研究中心的J.C.Martin领导的研究小组，将Marx发生器与Blumlien的专利结合起来，建造了世界上第一台强流相对论电子束加速器SOMG（3MV，50kA，30ns），脉冲功率达TW（1012W）量级，开创了高功率脉冲技术的新纪元。1986年建成PBFA-II 装置，其峰值电压为12MV、电流8.4MA、脉宽40ns，其二极管束能为4.3MJ，脉冲功率1014W，是世界上第一台功率闯过100TW 大关的脉冲功率装置。 美国和俄罗斯目前在脉冲功率技术上处于领先地位。美国从事脉冲功率技术研究的机构有Sandia国家实验室、Lawrence Livermore国家实验室、Maxwell实验室、Los Alamos科学实验室、海军武器研究中心、Texas技术大学等。1967年在Sandia 实验室建成的Hermes2I 为当时最大的脉冲功率装置；1972年美国陆军的Hary Diamond实验室建成了Aurora装置，这个设备由4台Marx发生器组成，是脉冲功率史上的一个里程碑；1986年Sandia实验室又建成了FBFA2II，是世界上第1个闯过100TW 大关的装置。俄罗斯从事脉冲功率技术研究的机构有库尔恰托夫研究所、新西伯利亚核物理所、托姆斯科大电流电子学研究所、电物理装备所、列别捷夫所等, 建造了许多大型的Marx成形线型联合装置,1985 年建成的AHrapa25就是其中之一。日本的脉冲功率技术主要应用于强流粒子束加速器，特别重视轻离子的惯性约束聚变。从事脉冲功率技术研究的机构有东京大学、熊本大学、大阪大学、长岗技术大学等, 较著名的装置有大阪大学的Raiden2IV和1986年长岗技术大学建成ETIGO 2II。
Yageo RC Series Pulse Load Capability November 2010
RC0402 Pulse Limit Power
Peak Pulse Power RC0402 0,1 1 100,0000010,000010,00010,0010,010,11 T(Sec) P (W )Maximum permissible peak pulse power as a function of pulse duration for typical 0402 resistor (R ≦10k Ω) Single Pulse rep. Pulse
Peak Pulse Voltage RC0402 1 10 100 10000,0000010,000010,00010,0010,010,11 T(Sec) V (M a x .) Maximum permissible peak pulse voltage (Vmax.) as a function of pulse duration (T) for a typical 0402 resistor .
RC0603 Pulse Limit Power
Peak Pulse Voltage RC0603 1 10 100 10000,0000010,000010,00010,0010,010,11 T(Sec) V (M a x .) Maximum permissible peak pulse voltage (Vmax.) as a function of pulse duration (T) for a typical 0603 resistor .
-1- 磁控溅射技术广泛应用于薄膜制备领域，可以制备工业上所需要的超硬薄膜、耐腐蚀耐摩擦薄膜、超导薄膜、磁性薄膜、光学薄膜，以及各种具有特殊电学性能的薄膜等[1~3]。但传统的磁控溅射处理技术有很多的局限性，例如，直流磁控溅射靶功率密度受靶热负荷的限制，即当溅射电流较大时，过多的阳离子对靶进行轰击使溅射靶过热而烧损。所以，传统的直流磁控溅射的溅射电流不能太大，一般在0.3~1A左右，溅射靶功率密度在50W/cm2。 近年来国外发展起来了一种高速率溅射—高功率脉冲磁控溅射(high power impulse magnetron sputtering(HIPIMS))技术，大大弱化了这种限制。高功率脉冲磁控溅射的峰值功率是普通磁控溅射的100倍，约为1000~3000W/cm2，溅射材料离化率极高，且这个高度离子化的束流不含大颗粒。对于大型磁控靶，更是可以产生兆瓦级溅射功率。由于脉冲作用时间在几百微秒以内，故平均功率与普通磁控溅射相当，这样就不会增加对磁控靶冷却的要求。一般溅射材料能级只有5~10电子伏特，而高功率脉冲磁控溅射材料能级最大可达100电子伏特。高功率脉冲磁控溅射的瞬时功率虽然很高，但其平均功率并不高，一般在600W左右。为了进一步提高脉冲磁控溅射的溅射速率，可以采用两步脉冲，第一步脉冲的功率密度与普通脉冲溅射相当，第二步则达1000~3000W/cm2。但是，高功率脉冲磁控溅射存在打弧现象和脉冲起辉延迟。为解决这些问题，近几年又发展了高功率复合脉冲磁控溅射技术，这种技术是将直流磁控溅射和高功率脉冲磁控溅射叠加起来。其中的直流磁控溅射部分有两个作用：第一、离子预离化，使脉冲到来时脉冲起辉容易，缩短脉冲起辉延迟时间；第二、提够一个持续的直流溅射功率，提高了磁控溅射的平均功率。所以，高功率复合脉冲磁控溅射同时具有直流磁控溅射和脉冲磁控溅射的优点。现在，高功率脉冲磁控溅射技术已成为全世界磁控溅射领域的研究前沿和研究热点，高功率复合脉冲磁控溅射更是倍受关注。 国外关于高功率复合脉冲磁控溅射的研究和文献还较少，对其溅射机理、溅射规律和工艺优化都有待于更深入地研究，国内还没有这方面的研究报道。为了促进高功率复合脉冲磁控溅射技术的发展，本文研制了一台用于该技术的高功率电源，将有助于了解复合脉冲作用下等离子行为，为高功率复合脉冲磁控溅射技术提供理论依据。 1.2磁控溅射 1852年Grove首次描述了溅射这种物理现象，20世纪40年代溅射技术作为一种
收稿日期:2000202216 作者简介:孙凤举(19672),男,山东籍,助研,博士生,主攻等离子体开关技术和脉冲功率技术应用研究。 综述和述评 高功率Z -P i nch 脉冲源技术的发展 孙凤举1,2,邱爱慈2,邱毓昌1,曾江涛2,蒯斌2 (11西安交通大学电气学院,陕西西安710049;21西北核技术研究所,陕西西安710024) 摘要:概述了脉冲功率系统中的电容储能、电感储能和磁感应储能技术。基于直线型脉冲变压器(L TD )、电感储能(IES )、等离子体断路开关(PO S )以及真空磁绝缘传输线(M ITL )技术的低电感、模块化快脉冲源将来可能作为基本的子模块应用于超大型高功率Z 2P inch 装置。 关键词:高功率Z 2P inch ;直线型脉冲变压器;电感储能 中图分类号:TL 6;O 531;O 539 文献标识码:A 文章编号:100323076(2001)0120044205 1 引言 Z 2P inch 开始于六十年代受控热核聚变(CT F )反应的研究,其结构简单、造价低廉、 运行方便,且效率较高,但是在八十年代以前,由于受当时脉冲功率技术水平的限制和Z 2P inch 等离子体不稳定性的困扰,进展一 直比较缓慢。96年以来,Z 2P inch 技术取得重大突破,主要在于采用了高功率短脉冲大电流驱动多丝阵列负载,目前Z 2P inch 正成为当今国际上十分活跃的科学前沿研究领域[1,2]。高功率Z 2P inch 的品质与高功率脉冲源的参数紧密相关,Z 2P inch 技术要得到发展和应用,在很大程度上取决于脉冲功率源 的技术水平。驱动惯性约束聚变(I CF )的Z 2P inch 要求脉冲源储能数十M J ,脉冲电流约50～60M A [2],尽管国外在PB FA 2Z 装置上 获得了出色的实验结果,但PB FA 2Z 装置距 上述要求还存在很大差距,采用的技术按照能够承担得起的造价、体积和效率要求很难扩大到更高的功率水平[3]。作为高功率Z 2p inch 的脉冲源,要求技术风险小,运行重复 性、可靠性和能量传输效率高,结构紧凑、造价低廉,这关系到Z 2p inch 在I CF 中是否能 有更大的竞争力。因此,国际上正在发展新的技术,探索合适的高功率Z 2p inch 脉冲源技术途径。近三十年来,脉冲功率技术发展了电容、电感和磁感应储能以及为压缩脉宽的各种高功率开关等技术,下面对传统的电容储能和近年来发展较快的电感储能、磁感应储能技术作简单介绍。 2 电容储能与电感储能技术 直到七十年代中期,脉冲功率技术一直以电容储能与闭合开关技术为基础。因为去 离子水的介电常数高(Ε～81),采用水介质同
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目录 摘要 ................................................................................................................................... I Abstract ........................................................................................................................... I I 第1章绪论 .. (1) 1.1 课题背景 (1) 1.2 磁控溅射技术 (1) 1.2.1 磁控溅射原理 (2) 1.2.2 高功率磁控溅射技术 (3) 1.3 双脉冲磁控溅射技术的提出 (14) 1.4 本文主要研究内容 (15) 第2章试验材料材料及方法 (16) 2.1 试验材料制备及试验设备 (16) 2.1.1 实验材料 (16) 2.1.2 试样制备 (16) 2.1.3实验设备 (16) 2.2 试验方法 (17) 2.2.1 双脉冲高功率放电特性及光谱试验 (17) 2.2.2 CrN薄膜的制备 (20) 2.2.3 分析测试方法 (21) 第3章双脉冲高功率放电特性的研究 (22) 3.1 双脉冲高功率与单脉冲高功率放电特性的对比 (22) 3.2 引燃脉冲电压对双脉冲高功率放电特性的影响 (24) 3.3 引燃脉冲脉宽对双脉冲高功率放电特性的影响 (27) 3.4 工作脉冲电压对双脉冲高功率放电特性的影响 (30) 3.5 工作脉冲脉宽对双脉冲高功率放电特性的影响 (33) 3.6 气压对双脉冲高功率放电特性的影响 (36) 3.7 本章小结 (39) 第4章双脉冲高功率光谱特性的研究 (41) 4.1 双脉冲高功率与传统高功率光谱特性的对比 (41) 4.2 引燃脉冲电压对双脉冲高功率光谱特性的影响 (44) 4.3 引燃脉冲脉宽对双脉冲高功率光谱特性的影响 (45) -IV-
激光脉冲的平均功率和功率, 设脉冲激光器输出的单个脉冲持续时间(脉冲宽度)为：t,(实际为 FWHM宽度 ) 单个脉冲的能量：E, 输出激光的脉冲重复周期为：T, 那么,激光脉冲的平均功率 Pav = E/T,（即在一个重复周期内的单位时间输出的能量）, 脉冲激光讲峰值功率（peak power）Ppk = E/t 能量密度=（单脉冲能量*所用频率）/ 光斑面积算 通常也用单位时间内的总能量除以光斑面积 峰值功率=脉冲能量除以脉宽 平均功率=脉冲能量*重复频率（每秒钟脉冲的个数） 脉冲激光器的能量换算 脉冲激光器的发射激光是不连续，一般以高重频脉冲间隔发射。发射能量以功的单位焦耳(J)计，即每次脉冲做功多少焦耳。 连续激光器发射的能量以功率单位瓦特(W)计量，即每秒钟做功多少焦耳，表示单位时间内做功多少。 瓦和焦耳的关系：1W=1J/秒。 一台脉冲激光器，脉冲发射能量是1焦耳/次，脉冲频率是50Hz，则每秒钟发射激光50次，每秒钟内做功的平均功率为：50X1焦耳=50焦耳，所以，平均功率就换算为50瓦。再举例说明峰值功率的计算，一台绿光脉冲激光器，脉冲能量是0.14mJ/次，每次脉宽20ns,脉冲频率100kHz， 平均功率为：0.14mJ X100k=14J/s=14W，即平均功率为14瓦；峰值功率是每次脉冲能量与脉宽之比，即 峰值功率：0.14mJ/20ns=7000W=7kW,峰值功率为7千瓦。 要想知道镜片的脉冲激光损伤阈值是否在承受极限内，既要计算脉冲激光的峰值功率，也要计算脉冲激光的平均功率，综合考虑。 如某ZnSe镜片的激光损伤阈值时是500MW/cm2,使用在一台脉冲激光器中，脉冲激光器的脉冲能量是10J/cm2，脉宽10ns，频率50kHz。首先，计算平均功率：10J/cm2X50kHz=0.5MW/cm2其次，再计算峰值功率：10J/cm2/10ns=1000MW/cm2 从脉冲激光器的平均功率看，该镜片是能承受不被损伤的，但从脉冲激光器的峰值功率看，是大于该镜片的激光损伤阈值的。所以，综合判断，该ZnSe镜片不宜用于此脉冲激光器。如果有条件，对脉冲激光器镜片，应当分别测试平均功率和峰值功率的激光损伤阈值。 Ave.Power：平均功率Pulse energy：脉冲能量Pulse Width：脉宽Peak Power:峰值功率Rep.Rate：脉冲频率ps：皮秒，10-12S ns：纳秒，10-9S M:兆，106J:焦耳W:瓦 氙灯作为激光设备一个常用光源，通常被人们也叫做激光氙灯、脉冲氙灯。氙灯是一种填充氙气的光电管或闪光电灯。氙气化学性质不活泼，不能燃烧，也不助燃。是天然的稀有气体中分子量最大、密度最高的。氙气高压灯辐射发出很强的紫外线，可用于医疗，制作光谱仪光谱以及各种工业激光设备中。
磁控溅射技术研究进展 薄膜技术不仅可改变工件表面性能，提高工件的耐磨损、抗氧化、耐腐蚀等性能，延长工件使用寿命，还能满足特殊使用条件和功能对新材料的要求。磁控溅射技术具有溅射率高、基片温升低、膜基结合力好、装置性能稳定、操作控制方便等优点，因此，被认为是镀膜技术中最具发展前景的一项新技术，同时也成为镀膜工业应用领域（特别是建筑镀膜玻璃、透明导电膜玻璃、柔性基材卷绕镀等对大面积的均匀性有特别苛刻要求的连续镀膜场合）的首选方案[1-8]。 1 磁控溅射技术原理 溅射是指具有一定能量的粒子轰击固体表面，使得固体分子或原子离开固体从表面射出的现象。溅射镀膜是指利用粒子轰击靶材产生的溅射效应，使得靶材原子或分子从固体表面射出，在基片上沉积形成薄膜的过程。磁控溅射是在辉光放电的两极之间引入磁场，电子受电场加速作用的同时受到磁场的束缚作用，运动轨迹成摆线增加了电子和带电粒子以及气体分子相碰撞的几率，提高了气体的离化率，降低了工作气压。而Ar＋离子在高压电场加速作用下与靶材撞击，并释放能量使靶材表面的靶原子逸出靶材，飞向基板并沉积在基板上形成薄膜。图1所示为平面圆形靶磁控溅射原理。 磁控溅射技术得以广泛的应用是由该技术的特点所决定的。可制备成靶材的各种材料均可作为薄膜材料，包括各种金属、半导体、铁磁材料、以及绝缘的氧化物陶瓷、聚合物等物质。磁控溅射可制备多种薄膜不同功能的薄膜，还可沉积组分混合的混合物化合物薄膜。在溅射过程中基板温升低和能实现高速溅射，溅射产生二次电子被加速为高能电子后，在正交磁场作用下作摆线运动，不断与气体分子发生碰撞，把能量传递给气体分子本身变为低能粒子也就不会使基板过热。随着磁控溅射技术的发展，发展起了反应磁控
脉冲磁控溅射沉积微晶硅薄膜工艺研究＊ 梁凤敏，周灵平，彭 坤，朱家俊，李德意 （湖南大学材料科学与工程学院，长沙４１００８２ ）摘要 采用脉冲磁控溅射法制备氢化微晶硅薄膜，利用Ｘ射线衍射、拉曼光谱、扫描电子显微镜和四探针测试仪对薄膜结构和电学性能进行表征和测试，研究了衬底温度、氢气稀释浓度和溅射功率对硅薄膜结构和性能的影响。结果表明：在一定范围内，通过控制合适的衬底温度、增大氢气稀释浓度及提高溅射功率，可以制备高质量的微晶硅薄膜。在衬底温度为４００℃、氢气稀释浓度为９０％及溅射功率为１８０Ｗ的条件下制备的微晶硅薄膜，其晶化率为７２．２％，沉积速率为０．４８ｎｍ／ｓ 。关键词 脉冲磁控溅射 微晶硅薄膜 结晶性能 沉积速率中图分类号：ＴＫ５１４；ＴＢ３２１ 文献标识码：Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｐｕｌｓｅｄ Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｐｒｅｐａｒｉｎｇ ＭｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＳｉｌｉｃｏｎ Ｔｈｉｎ ＦｉｌｍｓＬＩＡＮＧ Ｆｅｎｇｍｉｎ，ＺＨＯＵ Ｌｉｎｇｐｉｎｇ ，ＰＥＮＧ Ｋｕｎ，ＺＨＵ Ｊｉａｊｕｎ，ＬＩ Ｄｅｙｉ（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇ ｓｈａ ４１００８２）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ（μｃ－Ｓｉ∶Ｈ）ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｐｕｌｓｅｄ ｍａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ．ＸＲＤ，Ｒａｍａｎ ｓｐ ｅｃｔｒｕｍ，ＳＥＭ ａｎｄ ｆｏｕｒ－ｐｏｉｎｔ ｐｒｏｂｅ ｗｅｒｅ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｅｌｅｃ－ｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｍｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ ｐｏｗｅｒｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｉｔｈｉｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎｒａｎｇｅ，ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｂｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｈｙｄｒｏｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ ｐｏｗｅｒ．Ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ４００℃，ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ９０％ａｎｄ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ ｐｏｗｅｒ １８０Ｗ，ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｗｉｔｈ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｕｐ ｔｏ ７２．２％ｃａｎ ｂｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｉｓ ０．４８ｎｍ／ｓ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｐｕｌｓｅｄ ｍａｇｎｅｔｒｏｎ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ，ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ，ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｉｔｙ，ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ ＊湖南科技计划项目（ ２０１１ＧＫ４０５０） 梁凤敏： 女，１９８７年生，硕士生，主要从事微晶硅薄膜材料方面的研究 Ｅ－ｍａｉｌ：８７０２０８ｌｆｍａｂ＠１６３．ｃｏｍ 周灵平：通讯作者，男，１９６４年生，教授，主要从事薄膜制备及电子封装材料方面的研究 Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｐ ｚｈｏｕ＠ｈｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 硅薄膜作为薄膜太阳能电池的核心材料越来越引起人们的重视，非晶硅薄膜太阳能电池由于存在转换效率低和由 Ｓ－Ｗ效应引起的效率衰退等问题［１］ ， 其推广应用受到了限制。微晶硅薄膜具有较高电导率、较高载流子迁移率的电学 性质及优良的光学稳定性，可以克服非晶硅薄膜的不足，已经成为光伏领域的研究热点 ［２－５］ 。硅薄膜的结晶性能是制备 高质量微晶硅薄膜的重要参考指标，直接影响硅薄膜太阳能电池的转化效率和稳定性。目前微晶硅薄膜的制备方法主要有等离子体增强化学气相沉积法、热丝化学气相沉积法和磁控溅射法，相比于化学气相沉积法，采用磁控溅射法沉积硅薄膜不需要使用ＳｉＨ４等有毒气体及相应的尾气处理装置， 有利于降低设备成本，且工艺参数容易控制，逐渐成为制备硅薄膜的重要方法。 Ｊｕｎｇ Ｍ Ｊ等［６］ 研究发现磁控溅射制备硅薄膜过程中，对 衬底施加偏压有利于薄膜晶化，但施加偏压需要在绝缘衬底上镀上导电层，有可能引起金属离子扩散到薄膜中。Ｔａｂａｔａ Ａ等［７］ 的研究结果表明， 只有控制合适的靶偏压才能制备结晶良好的硅薄膜，只要偏压发生较小的波动就会对薄膜的结晶性能产生明显影响。尽管研究者已采用磁控溅射法制备出微晶硅薄膜，但其研究还处于摸索阶段，对于制备工艺缺乏系统研究，薄膜晶化率与沉积速率难以兼顾，因此，研究在较高沉积速率下获得高晶化率硅薄膜的制备方法对硅基薄膜太阳能电池的应用具有重要推动作用。 本研究在较高沉积速率下制备了结晶性能良好的微晶硅薄膜，考察了衬底温度、氢气稀释浓度和溅射功率对硅薄膜结晶性能的影响。 １ 实验 利用ＭＩＳ８００型多功能离子束磁控溅射复合镀膜设备沉 积微晶硅薄膜。本底真空为１０－５ Ｐａ数量级，靶材采用纯度为９９．９９９％的多晶硅靶，工作气体为氢气和氩气的混合气体，其中氢气稀释浓度为７０％～９０％， 溅射功率为６０～· ７４·脉冲磁控溅射沉积微晶硅薄膜工艺研究／梁凤敏等
高功率脉冲电源 学院（系）：电气工程学院班级：1113班 学生姓名：高玲 学号：21113043 大连理工大学 Dalian University of Technology
1分类及结构原理 高功率脉冲最早始于30年代，随着用电容器放电产生X射线的出现，经过了几十年的发展，目前高功率脉冲电源应用范围非常广泛，例如用于闪光X射线照相、高功率激光、大功率微波、电磁脉冲、电磁发射(或推进)、粒子束武器和电磁成形等离子体物理与受控核聚变研究、核爆炸模拟等方面。‘ 如图1所示。高功率脉冲电源包括初级能源、中间储能脉冲成形系统及转换系统等几个部分。 图1. 高功率脉冲电源组成框图 脉冲功率的形成过程是：首先经过慢储能，使初级能源具有足够的能量；其次，向中间储能和脉冲形成系统注入能量；再次，能量经过储存、压缩、形成脉冲或转化，等复杂过程之后，最后快速释放给负载。 (1)初级能源为小功率的能量输入设备，如电容器的充电机、电感线圈的励磁电源、飞轮电机的拖动电机，其能源来在电网。 (2)中间储能设备有以电容器和Marx发生器为例的电场储能，以常温或超导电感线圈为例的磁场储能，以各类具有转动惯量的脉冲发电机为主的机械储能，以蓄电池、磁流体发电机、爆炸磁通压缩发生器为代表的化学储能，以及以核能磁流体发电机为例的核能初级能源，等等。 (3)能量转换与释放系统主要包括各种大容量闭合开关和断路开关及各种波形调节技术设备。 脉冲功率装置初级能源的储能方式主要包括：以电场形式储能的电容器、以磁场方式储能的电感器、机械能发电机、化学能装置以及核能等。如表1所示。 (1)电容储能简单、技术成熟，因此它的应用最为广泛，如惯性约束、强激光、粒子束武器、大功率微波等。世界上一些著名的脉冲功率装置都采用电容储能放电回路，如美国的PBFA．II等。 (2)电感储能最大的优点是储能密度大，所以倍受研究者的关注。电感储能技术在诸如受控等离子体物理、受控核聚变、电磁推进等现代科学技术领域中，都有着极为重要的应用。 (3)机械储能具有储能密度高、结构紧凑、易做成移动式，且提取十分方便等优点，因此也得到了广泛的应用。目前，其主要的应用领域有：近代同步加速器、托卡马克热核装置、等离子体。箍缩、大型风洞装置、大截面金属对头焊接等。