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(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)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(lái)國(guó)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(gè)數(shù)量級(jí)；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(duì)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(shí)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(huì)增加對(duì)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(lì)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(lái)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(duì)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(duì)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(duì)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(gè)恒定的直流電流，維持一個(gè)傳統(tǒng)的直流磁控濺射，同時(shí)對(duì)脈沖等離子體產(chǎn)生起到一個(gè)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(guò)可控開(kāi)關(guān)器件斬波成脈沖電壓向等離子體負(fù)載放電�？煽亻_(kāi)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?cè)偻ㄟ^(guò)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�；�本工作原理是電網(wǎng)輸入交流電，通過(guò)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(guò)二極管整流電感濾波輸出直流�？刂撇糠钟蒔WM單元、IGBT 驅(qū)動(dòng)放大、恒流控制以及過(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)串聯(lián)在直流回路中，通過(guò)觸發(fā)脈沖控制半導(dǎo)體開(kāi)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(wú)。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(gè)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)�？梢灶A(yù)見(jiàn)高脈沖功率密度復(fù)合磁控濺射技術(shù)將會(huì)促進(jìn)鍍膜技術(shù)的發(fā)展。