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。

1、电源研制

　　本电源主电路采用直流叠加脉冲的方式。直流和脉冲电源叠加有串联和并联两种形式，如图1 所示。为了控制方便，本文采用了并联工作模式。在这种电路结构中，直流电源给磁控靶提供一个恒定的直流电流，维持一个传统的直流磁控溅射，同时对脉冲等离子体产生起到一个预离化的作用，否则容易产生打火。脉冲电源是将直流电压通过可控开关器件斩波成脉冲电压向等离子体负载放电。可控开关器件的导通和关断由发电路控制。直流电源部分的直流输出电压采用全桥逆变再通过整流滤波的方式得到，逆变结构的引入大大提高了电源的性能和减小了电源的重量和体积。基本工作原理是电网输入交流电，通过工频整流，电感电容滤波后为直流。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电感滤波输出直流。控制部分由PWM单元、IGBT 驱动放大、恒流控制以及过流保护等部分组成。直流电源部分的设计功率为10~20 kW，空载电压900 V。

（a）直流和脉冲并联模式　　(b) 直流和脉冲串联模式

图1 电源电路结构图

　　脉冲电源部分是将直流电压、电流通过斩波电路变换成频率和脉宽均可调的脉冲电压、电流。脉冲磁控溅射的斩波电路使用IGBT 模块，将IGBT 作为开关串联在直流回路中，通过触发脉冲控制半导体开关管的通断，进而控制了等离子体负载脉冲电压的有无。脉冲电源设计参数为：脉冲电流可达100~300 A，电压200~1500 V， 脉冲宽度20~300 μs， 脉冲频率10~500 Hz ，这些参数还可以根据需要调整。研制的高脉冲功率密度复合磁控溅射电源如图2 所示。

图2 自行研制的电源照片

3、结论

　　采用并联式的直流与脉冲叠加方式设计并研制了高脉冲功率复合脉冲磁控溅射电源，设备稳定可靠。在脉冲工作期间脉冲峰值电流随电压的增加而提高；电流脉冲宽度随电压脉宽的增加达到一个恒定值后变化不大；流经基体的电流随脉冲峰值电流的增加而提高，表明离化率的增强。可以预见高脉冲功率密度复合磁控溅射技术将会促进镀膜技术的发展。