高脉冲功率密度复合磁控溅射电源研制及放电特性研究

第3()巷第4M 20f0年12月核聚变!‘锋离子体物pl!N ucl ear Fus i on and Pl a s m a Physi csV o I．30．N‘’．4D c c．2()10文章编号：0254-6086(2010)04．．-0365-4)5高功率脉冲非平衡磁控溅射放电特性和参数研究牟宗信，王春，贾莉，牟晓东，藏海荣，刘冰冰，董闯(三柬材料改性教育部重点实验室．大连理工大学物理与光电工程学院，大连116024)摘要：用线圈电流控制非平衡磁场，用汤森放电击穿形成深度自触发放电。

用磁阱捕获放电形成的二次电子和导致漂移电流，形成了高功率非平衡磁控溅射放电。

采用偏压为一IO O V相对磁控靶放髓的圆形平面电极收集饱和离子电流；在距离磁控靶14em的位置由Langm ui r探针测量浮置电位；示波器测量磁控靶的脉冲电压、电流、浮置电位和饱和离子电流信号。

装簧的放电脉冲功率达到O．9M W，脉冲频率最大值为40H z左右，空问电荷限制条件是控制电子电流和离子电流的主要机制。

关键词：磁控溅射；放电；脉冲技术中图分类号：0539文献标识码：A1引言高脉冲功率磁控溅射(H P PU M S)能够形成高密度等离子体、高溅射粒子的离化率，是目前磁控溅射领域的热点研究方向【I-610H PPU M S的特征是脉冲放电功率达到M w量级，溅射粒子的离化率达到10％'--'70％，脉冲离子电流达到几个A cm～。

一般采用开关脉冲电源放电，用光谱分析、能谱分析和静电探针技术诊断高功率脉冲磁控溅射放电特性和等离子体特征。

由于磁控靶交叉场的三维结构和与等离子体作用非常复杂，目前这种技术仍然处于基础研究阶段¨“J。

高功率脉冲磁控溅射放电形成了高电离率、远离平衡的等离子体，放电的电流密度远远高于一般的直流磁控溅射技术，许多复杂的动力学现象目前仍然无法清楚地得到解释。

经过长期的研究，对于一般的直流磁控溅射放电的各种作用机理已经非常清楚。

磁控溅射技术研究进展摘要：介绍了磁控溅射技术当前的研究进展，主要包括反应磁控溅射、非平衡磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射，并列举了这三种新技术的应用领域。

关键词：表面性能；磁控溅射；薄膜Research Progress of Magnetron Sputtering TechnologyAbstract: Research progress of magnetron sputtering current introduced, includes the main Reactive Magnetron Sputtering,Unbalanced Magnetron Sputtering,High Power Pulsed Magnetron Sputtering,And lists the application fields of these three new technology.Key words:Surface properties;Magnetron sputtering;Membrane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。

磁控溅射被认为是镀膜技术中最突出的成就之一，它以溅射率高、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，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。

调制中频高功率脉冲磁控溅射电源的设计作者：张凤晓王浪平来源：《无线互联科技》2015年第18期X摘要：文章指出叠加直流的HPPMS技术有直流部分占空比较高和不可控制2大缺点，在做沉积薄膜实验时无法提供溅射所需的高功率，导致空比较低，溅射效率稍低的高功率脉冲产生。

为了解决问题，需要研制一台电源，并且该电源可以用中频调制脉冲高功率磁控溅射MPP（Modulated pulsed power），普通高功率磁控溅射系统中的直流部分可以用低频脉冲来代替，尽可能减少低频脉冲占空比并且可以确保充分预处理，使高功率脉冲占空比尽可能最大，提高系统的溅射效率。

关键词：调制脉冲；磁控溅射；HPPMS；MPP近年来，国外发展了HPPMS（高功率脉冲磁控溅射）技术，并且这种技术具备一定高的离化率和很好的薄膜性能，因此在技术领域有一定的影响力。

HPPMS的峰值功率高出普通磁控溅射达2个数量级；溅射材料离化率更是高达70%以上。

高功率脉冲磁控溅射技术目前在国内外得到了广泛的研究。

本文将在HPPMS的基础上设计研制一台基于MPP（Modulatedpulsed power）技术的脉冲电源，其特点是：要想使低频脉冲与高功率脉冲的占空比得到合理的控制必须采用起弧预处理低频脉冲来实现，通过变化电路参数使低频脉冲所占比例最小而高频脉冲最大，并确保可以有效的预处理，从而使电源在实际应用中的工作效率达到最大程度的提高。

1国内的研究现状现如今，我国现有的高功率脉冲磁控溅射电源有2种：（1）没有经过预处理，而使高功率脉冲信号加为负载。

不足之处在于：难以使高功率脉冲信号的峰值功率保持不变，电流过大可能会引起起弧打火；（2）用并联或者串联的形式来设计脉冲电源叠加直流。

其缺点是低频脉冲占空大和预处理时间长，但是由于很难控制直流部分占空比，出现高功率脉冲部分（对于金属离子的沉积具有实际意义的部分）占空比相对较低的情况，导致沉积效率在实际应用中也不理想。

高功率脉冲磁控溅射技术的特点及其研究班级：机械工程学院材料1301班学号：0335******* 作者：程乾坤摘要：本论文主要介绍高功率脉冲磁控溅射技术的主要特点以及目前的研究状况和未来的发展方向。

简介该技术到目前为止世界范围内的进展和发展历程，作者对该技术到目前为止的发展分析以及对该技术所作的一些想法。

关键词：高功率磁控脉冲、离化率、薄膜性能一、高功率脉冲磁控溅射技术的介绍磁控溅射（HIPIMS）是在溅射的基础上，运用靶板材料自身的电场与磁场的相互电磁交互作用，在靶板附近添加磁场，使得二次电离出更多的离子，增加溅射效率。

这种技术应用于材料镀膜。

其中高功率脉冲磁控溅射（high-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) 或high-power pulsed magnetron sputtering (HPPMS)）近来使用较为普遍。

磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。

在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。

若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar 来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。

随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E 的作用下最终沉积在基片上。

由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。

磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。

入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。