高功率脈沖磁控濺射技術(shù)（HPPMS）由于能夠產(chǎn)生較高的離化率而受到人們的重視。為了提高離化率/ 沉積速率協(xié)同效應(yīng)，基于直流和脈沖耦合疊加技術(shù)我們研制了高功率密度復(fù)合脈沖磁控濺射電源，并對高功率復(fù)合脈沖磁控濺射放電特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明脈沖峰值電流隨脈沖電壓的增加而增加，但隨著脈沖寬度的增加而減小。在高功率脈沖期間工件上獲得的電流可以增加一個數(shù)量級以上，表明磁控離化率得到顯著增強(qiáng)。

　　磁控濺射技術(shù)廣泛應(yīng)用于薄膜制備領(lǐng)域，但傳統(tǒng)的磁控濺射處理技術(shù)濺射金屬大多以原子狀態(tài)存在，可控性較差，沉積薄膜的質(zhì)量和性能較難優(yōu)化，近年來國外發(fā)展了高功率脈沖磁控濺射技術(shù)，它的峰值功率可以比普通磁控濺射高2 個數(shù)量級；金屬離子離化率可達(dá)70%以上；反應(yīng)磁控濺射金屬靶面不容易中毒；離化粒子獲得的能量高，這些效應(yīng)對于控制膜層質(zhì)量、優(yōu)化膜層結(jié)構(gòu)是非常有利的，另外高功率脈沖磁控濺射的瞬時功率雖然很高，但其平均功率與普通磁控濺射相當(dāng)，這樣就不會增加對磁控靶冷卻的要求。因此高功率脈沖磁控濺射技術(shù)已成為磁控濺射研究領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)。

　　然而高功率脈沖磁控濺射需要較高的激勵電壓，靶表面高的負(fù)電壓使得離化的離子可能被靶自身吸回，因而薄膜沉積效率不高。將直流濺射和脈沖磁控濺射耦合起來應(yīng)該是一種有效的解決方法，一方面直流磁控濺射可獲得高沉積速率，并對高功率脈沖有預(yù)離化的作用，優(yōu)化脈沖起輝特性；另一方面脈沖功率提供高的離化率，對濺射膜層性能予以調(diào)制。為此我們研制了新型的高脈沖功率密度復(fù)合磁控濺射電源，并對復(fù)合脈沖條件下的放電特性進(jìn)行了研究，為高功率復(fù)合脈沖磁控濺射技術(shù)應(yīng)用提供依據(jù)。

1、電源研制

　　本電源主電路采用直流疊加脈沖的方式。直流和脈沖電源疊加有串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式，如圖1 所示。為了控制方便，本文采用了并聯(lián)工作模式。在這種電路結(jié)構(gòu)中，直流電源給磁控靶提供一個恒定的直流電流，維持一個傳統(tǒng)的直流磁控濺射，同時對脈沖等離子體產(chǎn)生起到一個預(yù)離化的作用，否則容易產(chǎn)生打火。脈沖電源是將直流電壓通過可控開關(guān)器件斬波成脈沖電壓向等離子體負(fù)載放電。可控開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷由發(fā)電路控制。直流電源部分的直流輸出電壓采用全橋逆變再通過整流濾波的方式得到，逆變結(jié)構(gòu)的引入大大提高了電源的性能和減小了電源的重量和體積。基本工作原理是電網(wǎng)輸入交流電，通過工頻整流，電感電容濾波后為直流。功率電子器件在控制電路的控制下將直流轉(zhuǎn)換為脈沖交流電。經(jīng)高頻變壓器，將交流脈沖升壓。然后通過二極管整流電感濾波輸出直流。控制部分由PWM單元、IGBT 驅(qū)動放大、恒流控制以及過流保護(hù)等部分組成。直流電源部分的設(shè)計(jì)功率為10~20 kW，空載電壓900 V。

（a）直流和脈沖并聯(lián)模式　　(b) 直流和脈沖串聯(lián)模式

圖1 電源電路結(jié)構(gòu)圖

　　脈沖電源部分是將直流電壓、電流通過斬波電路變換成頻率和脈寬均可調(diào)的脈沖電壓、電流。脈沖磁控濺射的斬波電路使用IGBT 模塊，將IGBT 作為開關(guān)串聯(lián)在直流回路中，通過觸發(fā)脈沖控制半導(dǎo)體開關(guān)管的通斷，進(jìn)而控制了等離子體負(fù)載脈沖電壓的有無。脈沖電源設(shè)計(jì)參數(shù)為：脈沖電流可達(dá)100~300 A，電壓200~1500 V， 脈沖寬度20~300 μs， 脈沖頻率10~500 Hz ，這些參數(shù)還可以根據(jù)需要調(diào)整。研制的高脈沖功率密度復(fù)合磁控濺射電源如圖2 所示。

圖2 自行研制的電源照片

3、結(jié)論

　　采用并聯(lián)式的直流與脈沖疊加方式設(shè)計(jì)并研制了高脈沖功率復(fù)合脈沖磁控濺射電源，設(shè)備穩(wěn)定可靠。在脈沖工作期間脈沖峰值電流隨電壓的增加而提高；電流脈沖寬度隨電壓脈寬的增加達(dá)到一個恒定值后變化不大；流經(jīng)基體的電流隨脈沖峰值電流的增加而提高，表明離化率的增強(qiáng)。可以預(yù)見高脈沖功率密度復(fù)合磁控濺射技術(shù)將會促進(jìn)鍍膜技術(shù)的發(fā)展。