高脉冲功率密度复合磁控溅射电源研制及放电特性研究
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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
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
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
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。
高功率脉冲磁控溅射试验平台设计及放电特性研究
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。
高功率复合脉冲磁控溅射等离子体特性及
工学硕士学位论文高功率复合脉冲磁控溅射等离子体特性及TIN薄膜制备PROPERTY OF HIGH POWER PULSED MAGNETRON SPUTTERING PLASMA AND DEPOSION OF TIN COATINGS李希平哈尔滨工业大学2008年7月国内图书分类号：TG174国际图书分类号：621.785工学硕士学位论文高功率复合脉冲磁控溅射等离子体特性及TiN薄膜制备硕士研究生：李希平导师：田修波教授申请学位：工学硕士学科、专业：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2008年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学- 1 -Classified Index: TG174U.D.C.: 621.785Dissertation for the Master Degree in EngineeringPROPERTY OF HIGH POWER PULSED MAGNETRON SPUTTERING PLASMA AND DEPOSION OF TiNCOATINGSCandidate: Li XipingSupervisor: Prof. Tian XiuboAcademic Degree Applied for: Master of EngineeringSpecialty: Materials Processing Engineering Affiliation: School of Materials Science andEngineeringDate of Defence: July, 2008Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要磁控溅射技术成膜的粒子能量高，所镀膜层密度高、针孔少、纯度高，广泛应用于金属和化合物薄膜沉积。
但是，传统的直流磁控溅射技术沉积速率低，靶功率密度受靶热负荷的限制，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。
基于物理仿真的高功率脉冲磁控溅射的优化与放电解析
基于物理仿真的高功率脉冲磁控溅射的优化与放电解析摘要：高功率脉冲磁控溅射技术是一种应用广泛的表面处理技术，具有高效、高质量和环境友好的特点。
本文通过基于物理仿真的方法，对高功率脉冲磁控溅射过程进行了优化与放电解析。
通过研究溅射过程中的放电行为，对溅射过程进行了优化，提高了溅射效率和膜层质量。
关键词：高功率脉冲磁控溅射；物理仿真；放电行为；溅射效率；膜层质量一、引言高功率脉冲磁控溅射技术是一种利用高能量脉冲电压和磁场作用下的离子轰击材料表面的方法。
该技术具有较高的溅射效率和较好的膜层质量，因此在微电子、光学薄膜和功能薄膜等领域得到广泛应用。
然而，由于溅射过程中的放电行为复杂，影响了溅射效率和膜层质量的提高。
二、物理仿真模型的建立本文基于物理仿真方法，建立了高功率脉冲磁控溅射的物理模型。
模型考虑了电场、磁场和离子的相互作用，通过求解相应的物理方程，对放电行为进行了分析和模拟。
三、放电行为的解析通过模拟计算，可以得到放电行为的相关参数，如放电能量、放电频率和放电持续时间等。
同时，还可以得到放电过程中离子的加速和轰击材料表面的能量分布情况。
四、优化溅射过程通过对放电行为的解析，可以发现溅射过程中存在的问题，并提出相应的优化策略。
例如，通过调整脉冲电压和磁场强度，可以控制放电能量和频率，从而提高溅射效率。
此外，通过优化靶材的形状和表面处理，可以改善离子的加速和轰击效果，提高膜层质量。
五、实验验证为了验证优化策略的有效性，进行了相应的实验。
实验结果表明，通过优化溅射过程，溅射效率得到了显著提高，膜层质量也得到了明显改善。
六、结论通过基于物理仿真的方法，本文对高功率脉冲磁控溅射过程进行了优化与放电解析。
研究结果表明，通过优化溅射过程，可以提高溅射效率和膜层质量。
本研究为高功率脉冲磁控溅射技术的进一步发展提供了理论和实验依据。
复合高功率脉冲磁控溅射放电等离子体特性
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟复合高功率脉冲磁控溅射放电等离子体特性高功率脉冲磁控溅射具有高的金属离化率，在薄膜制备表现出巨大的优势，成为当前磁控溅射技术领域一个新的发展趋势。
高功率脉冲磁控溅射的放电特性、等离子体特性等微观参数对薄膜质量控制具有决定性作用，分析宏观参数如何影响微观参数，有利于提高薄膜质量，稳定工艺。
因此，本文研究了脉冲与直流电源并联模式的复合高功率脉冲磁控溅射过程中，脉冲电压(400~800 V)对Ti、Cr 靶在Ar 气氛中的放电特性、等离子体参数(等离子体电势、电子温度、电子密度)、基体电流的影响。
结果表明：复合高功率脉冲磁控溅射Ti、Cr 靶放电过程中，脉冲电压的增加有利于脉冲作用期间的靶电压、靶电流、基体电流增加；当Ti 靶脉冲电压为600 V 或Cr 靶脉冲电压为700 V 时，电子密度出现较大值。
Cr 靶与Ti 靶放电相比，前者的靶电流、基体电流、等离子体电势、电子温度比后者更高，而电子密度却更低。
高功率脉冲磁控溅射( high power impulse magnetron sputtering，H薄膜的质量主要取决于薄膜沉积过程中的微观参数例如等离子体电势、电子温度、等离子体电子密度等，建立宏观工艺参数与微观参数之间的作用规律，有利于反馈优化。
本文采用脉冲与直流电源并联模式的复合H1、实验设备与方法本文实验设备为磁过滤阴极真空电弧复合溅射薄膜沉积设备(P600-1 型)，由课题组自主研发设计，与韩国JNL 公司合作加工制造，其原理基体电流测量过程中，基体偏压0 V，基架面积为144 cm2，基体与阴极靶的距离为17.5 cm。
MMLAB-prob1 Langmuir 单探针用于分析复合H(1)脉冲电压增加，电源供应功率的增加促进脉冲作用期间靶电压绝对值。
可调脉冲功率(MPP)磁控溅射电源研制及放电特性的研究
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟可调脉冲功率(MPP)磁控溅射电源研制及放电特性的研究可调脉冲电源MPP(modulated pulsed power)磁控溅射技术是一种新型的高功率磁控溅射技术。
基于STC12C5A60S2 单片机为控制单元研制了MPP 电源。
电源可以输出多种脉冲波形，能够实现优化的高功率脉冲磁控溅射工艺。
MPP 放电模式表现为初始的弱放电和随后的高功率大电流放电行为。
MPP 放电电压影响着高功率放电电流和脉冲宽度，而放电气压主要影响起辉时刻，但对放电电流大小影响不大。
引入引燃脉冲可实现低气压下的高功率大电流放电。
高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)是利用较高的脉冲峰值功率和较低的占空比产生高金属离化率的磁控溅射方法，由于占空比(1%~10%)较低，平均热量不高，阴极不会过热，同时峰值功率(1000 W/cm2~3000 W/cm2) 是普通磁控溅射的100 倍，溅射离化率极高，同时也提高了薄膜的组织性能。
但是它的沉积速率比直流磁控溅射(DCMS)低，这阻碍了它在工业生产中的应用。
Sarakinos 等人也在一篇综述性文章里论述到用钛靶沉积时HPPMS 的沉积速率是DCMS 的15- 75%。
与此同时有人开始研究可调脉冲的磁控溅射技术，采用MPP(modulated pulsed power)电源。
这种电源在控制模式、功率、脉宽、频率等方面与HPPMS 有很大不同，它最重要的特点是输出电压波形可以调制成多阶梯的波形。
作为HPPMS 的并行技术，Chistyakov 等人首先将之应用于磁控溅射。
虽然MPP 模式的离化率比HPPMS 略有降低，但它有望解决HPPMS 的低沉积速率问题，也继承了HPPMS 的优点。
研究已经表明，MPP 技术还具有可控低离子能量、高金属离子流的特点，同时增强了薄膜的密度和结合强。
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书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
高脉冲功率密度复合磁控溅射电源研制及放电特性研究
高功率脉冲磁控溅射技术（HPPMS）由于能够产生较高的离化率而受到人们的重视。
为了提高离化率/ 沉积速率协同效应，基于直流和脉冲耦合叠加技术我们研制了高功率密度复合脉冲磁控溅射电源，并对高功率复合脉冲磁控溅射放电特性进行研究。
结果表明脉冲峰值电流随脉冲电压的增加而增加，但随着脉冲宽度的增加而减小。
在高功率脉冲期间工件上获得的电流可以增加一个数量级以上，表明磁控离化率得到显著增强。
磁控溅射技术广泛应用于薄膜制备领域，但传统的磁控溅射处理技术溅
射金属大多以原子状态存在，可控性较差，沉积薄膜的质量和性能较难优化，近年来国外发展了高功率脉冲磁控溅射技术，它的峰值功率可以比普通磁控溅射高2 个数量级；金属离子离化率可达70%以上；反应磁控溅射金属靶面不容易中毒；离化粒子获得的能量高，这些效应对于控制膜层质量、优化膜层结构是非常有利的，另外高功率脉冲磁控溅射的瞬时功率虽然很高，但其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。
因此高功率脉冲磁控溅射技术已成为磁控溅射研究领域的前沿和热点。
然而高功率脉冲磁控溅射需要较高的激励电压，靶表面高的负电压使得
离化的离子可能被靶自身吸回，因而薄膜沉积效率不高。
将直流溅射和脉冲磁控溅射耦合起来应该是一种有效的解决方法，一方面直流磁控溅射可获得高沉积速率，并对高功率脉冲有预离化的作用，优化脉冲起辉特性；另一方面脉冲功率提供高的离化率，对溅射膜层性能予以调制。
为此我们研制了新型的高脉冲功率密度复合磁控溅射电源，并对复合脉冲条件下的放电特性进行了研究，为高功率复合脉冲磁控溅射技术应用提供依据。