高功率脉冲磁控溅射电源的研制_王洪国
高功率脉冲磁控溅射电源的研制王洪国 陈庆川* 韩大凯 尹 星 许泽金 沈丽茹 金凡亚(核工业西南物理研究院 成都 610041)NovelTypeofPowerSupplyforHigh-PowerPulsedMagnetronSputteringWangHangguo,ChenQingchuan*,HanDakai,YinXing,XuZejin,ShenLiru,JinFanya(SouthwesternInstituteofPhysics,Chengdu610054,China) Abstract Anoveltypeofpowersupplywasdevelopedforthehigh-powerpulsedmagnetronsputteringreactor(HPPMS).Thenewly-developedpowersupplyiscapableofgeneratinghighpulsedvoltageandlargecurrent,makingitpossibletorealizehighionizationrateofthereactor.Thededicatedpowersupplyconsistsoftwomajorparts:oneisthechargingpowersupply,andtheotherisachoppingcircuit.Theinfluenceofthelargecurrentontheovershootvoltageoftheinsulatedgatebipolartransistorwasevaluated.WefoundthattheovershootvoltagecanbeeffectivelyreducedwiththeRCDabsorbingandfreewheelingcircuit.TheTifilmsweredepositedwiththelab-builtpowersupply.Theresultsshowthatthefairlyreliablepowersupplyworkswellindepositingthehighquality,smooth,compactanduniformTifilms. Keywords HPPMS,Powersupply,Plamsadischarge,Tifilms 摘要 高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)因其高离化率而得到广泛关注。高压大电流脉冲电源是实现该技术的重要环节之一。本论文介绍了一种HPPMS电源,该电源由充电电源、斩波输出两部分组成,给出了主电路框图。分析了大电流对斩波开关过电压的影响,采用RC吸收和续流有效地抑制了电压过冲,用所研制的电源进行HPPMS镀膜试验,结果表明电源运行稳定可靠,制备的薄膜表面清洁、致密,其平均表面粗糙度很低。可以预见HPPMS技术将会促进镀膜技术的发展。关键词 高功率脉冲磁控溅射 电源 等离子体放电 Ti膜中图分类号:TN86 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-7126.2013.02.14 磁控溅射技术广泛用于薄膜制备领域,可以制备工业上所需的超硬薄膜、耐腐蚀、耐磨擦薄膜、超导薄膜、磁性薄膜、光学薄膜以及各种具有特殊性能的膜。但传统的磁控溅射技术溅射金属大多以原子态存在,金属离化率低,可控性差,沉积薄膜的质量和性能较难优化。近年来发展的高功率磁控溅射技术,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,某种程度上,高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)集中了传统溅射和电弧的优点,与现存的提高离化率的手段相比,不需要新装置,只需在原有的系统上增加一台脉冲电源[1-2]。目前,HPPMS电源的研制尚处于起步阶段,为此作者研制了峰值功率达300kW的HPPMS电源,采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)逆变技术、IGBT斩波技术、具有高峰值功率、高效率、小型化等特点。并用所研制的电源进行HPPMS镀膜试验,显示了良好的特性。1 电源研制HPPMS电源由充电电源、斩波输出单元等组成,具备连续可调的稳压、过流、过热、打火保护功能。设计电源为恒压模式,脉冲峰值电压为-500~-1500V,电流为10~200A,脉宽30~150Ls,频率为10~400Hz。电源结构如图图1所示。直流电源在脉冲间歇期给电容充电,在脉冲工作时,由电容Cs向等离子体负载放电。111 充电电源充电电源为负高压电源,采用全桥逆变技术,大大减小了电源体积、重量,提高了效率。其典型结构如图2所示。图中的整流电路经电容C1滤波后得收稿日期:2012-02-14*联系人:Tel:(028)82820927;E-mail:1064213358@qq.com168 真 空 科 学 与 技 术 学 报CHINESEJOURNALOFVACUUMSCIENCEANDTECHNOLOGY 第33卷 第2期2013年2月
图1 HPPMS电源示意图Fig11 SchematicdiagramoftheHPPMSpowersupply
图2 充电电源典型结构Fig12 Schematicdiagramofthechargingpowersupply到直流电压,再由逆变器逆变成高频交流方波。脉冲电压逆变器的开关频率选在20kHz以减小磁性元件的体积,避免噪声污染等。逆变器输出经高频变压器隔离并变换成适当的交流电压,再经过整流和滤波变成所需要的直流电压。本设计充电电源的输出功率为10kW,输出-500~-1500V/6A。开关频率为20kHz,最大占空比为018。初次级绝缘电压等级为10kV。主变压器变比为1B3。
图3 斩波电路结构图Fig13 SchematicofHPPMSpowersupply112 斩波回路斩波部分是将直流电压通过斩波电路变成频率和脉宽均可调的脉冲。斩波部分结构图如图3所示。斩波电路使用IGBT作为开关串联在回路中,通过信号发生器触发IGBT来调节脉宽和频率。在信号发生器输出电平为高时,IGBT导通,电容C上的电压通过开关IGBT、电感L、电阻R加在磁控靶上,溅射靶开始工作。主脉冲发生器电平为低时,IGBT关断,溅射靶停止工作,电感储存的能量通过续流二级管D释放。磁控溅射在实际应用中容易发生打火现象,电源必须设置短路打火保护装置。通过传感器检测斩波脉冲电流峰值信号,控制器判断电流大于保护值,则直接使信号发生器输出低电平,关断IGBT,待打火消失后再重新工作。同时使用电感、电容限流,以抑制起弧时的快速增长的大电流对电源的冲击。并采用RsCs吸收电路防止过电压。缓冲电容Cs的电容取值由下式可得[3]Cs=Ip@tf2Vmax式中,Ip是集电极电流峰值。Vmax是IGBT关断时允许的集电极电压峰值,取最大工作工作电压的114倍;tf集电极峰值电流从最大降到0的时间。得Cs为015LF。Rs应使Cs在最小导通时间ton内放电至所充电荷的5%,则有ton(min)=3RsCs,则得Rs=138,考虑Rs过大,吸收效果不好,最终选取为58。另针对电源的特性,对多台电容串并联构成储能单元的支路安装了电阻均压器。2 电源调试用本文研制的脉冲电源在直径5cm的圆形磁控溅射靶上进行了调试。图4为在Ar气压在015Pa、峰值电压1000V、频率50Hz、脉宽100Ls下磁控放电的电压和电流波形,可以看出,脉冲电流波形中刚开始时产生的呈尖峰状的一段电流波形为峰值电流,随后的电流波形较平缓。刚开始时的峰值电流取决于初始气压,表明气体离子占有主导地位;随后的电流值取决于放电功率和靶材料性质,表明和自溅射发生了紧密联系。
图4 气压015Pa峰值电压1kV的电压流波形Fig14 Voltage,currentwaveformsatthepressureof015Paandpeakvoltageof1000V图5是014Pa气压、不同峰值电压下的放电电压和电流的波形,电压分别为700,800,1000,1200,169第2期王洪国等:高功率脉冲磁控溅射电源的研制1400V。结果显示,随电压的升高,输出电流峰值增加,宽度变宽。这是因为随电压的增加,击穿点火容易,离化百分比高,离子量呈几何增加,所以电流增加,宽度变宽[2]。图6是1000V峰值电压、不同气压下的放电电压和电流的波形。气压分别为014,016,018Pa。结果显示,随气压的升高,输出电流峰值呈几何增加,宽度变宽。
图5 不同峰值电压下电压和电流波形Fig15 Voltageandcurrentwaveformsat014Paanddifferentpeakvoltages
图6 峰值电压1000V不同气压下的电压和电流波形Fig16 Voltageandcurrentwaveformsasafunctionofpressureat1000V 图7是HPPMS放电制备的Ti膜,可以看出,制备的薄膜表面清洁,致密,其平均表面粗糙度很低,无阴极弧制备的薄膜中那样的大颗粒存在。
图7 HPPMS制备的Ti膜Fig17 TifilmsgrowninthereactorequipedwiththeHPPMS3 结论本文研制了一台HPPMS电源,给出了电源框架图和主电路拓扑结构图,分析了主电路中一些关键技术。采用RC吸收和续流二极管保护IGBT,具有稳定可靠、快速响应、高峰值功率、重复工作频率的特点。镀膜试验结果表明,该电源工作稳定可靠,制备的薄膜表面整洁、光滑,大颗粒很少。可以预见HPPMS技术将会促进镀膜技术的发展。参 考 文 献[1] UlfHelmersson,MartinaLattemann,JohanBohlmark,etal.ThinSolidFilms[J],2006,513:1-24[2] 吴忠振,田修波,王泽明,等.真空科学与技术学报[J],2011,31(4):459-464[3] 梁伟恩,付 翔,杨 军.电子元器件应用[J],2010,12(6):40-42[4] AndrAndersa,JoakimAndersson,ArutiunEhiasarian.ApplPhys[J],2007,102:113303[5] 田修波,吴忠振,石经纬,等.真空[J],2010,47(3):44-n47170真 空 科 学 与 技 术 学 报第33卷
“高能冲击磁控溅射技术及工程应用”专题序言
“高能冲击磁控溅射技术及工程应用”
专题序言
磁控溅射发展于20世纪70年代，已经被广泛地应用于电子、光学、传感、机械、航空
航天等高科技领域。但在应用过程中，人们也日益发现其低离化率（<1%）对磁控溅射的工
艺稳定性、绕过性、深孔沉积能力甚至涂层质量等都有很大限制。因此，提高离化率（甚至
不惜引入额外的离化装置）曾是该领域持续30多年的研究热点。1999年HiPIMS的出现，改
变了这一局面。HiPIMS利用高能脉冲冲击溅射靶材，可在不产生宏观颗粒（Macro Particle）
的情况下，极大提高被溅射粒子的离化率，获得比dcMS高得多的等离子体密度，使沉积粒
子的绕射性、可控性等大大增强。HiPIMS可用来制备更致密或具有独特性能的涂层，甚至可
用来调制涂层原子的化学计量比或控制涂层结构等。因此，一经出现，马上吸引了PVD领域
研究者的目光，瑞典、日本、美国、英国、中国、澳大利亚等国家研究机构纷纷开展相关研
究，取得了丰硕的研究成果。
事实上，科学的发展，都不是偶然的。HiPIMS的出现也是如此，在HiPIMS出现之前，
人们追求高密度的辉光放电等离子体（不仅仅局限于溅射）的步伐就已经开启。早在1966年，
Abramovich就提出了超高密度空心阴极辉光放电（50 A/cm2，900 V，Sov. Phys.-Tech. Phys., vol.
11, no. 4, pp. 528-532, 1966.）；1977年，日本的N. Hosokawa就提出了自溅射效应（J. Vac. Sci.
Technol. 14, 143）；1995年，Posadowski等在追求纯金属自溅射过程中，采用了大功率低气
压（300 W/cm2，10–4 Pa）开展自维持磁控溅射（Vacuum 46 (1995) 1017）的研究。诸如此类
的研究都为HiPIMS的出现奠定了基础。然而，一种薄膜材料制备新技术的出现，距其被大
规模工业应用尚有很大距离。尤其在我国工业界，虽知悉HiPIMS技术可能有这样、那样的
电弧离子镀和高功率脉冲磁控溅射AlTiN 涂层及其切削性能研究
第51卷 第2期 表面技术 2022年2月 SURFACE TECHNOLOGY ·57·
收稿日期：2021-11-29；修订日期：2022-01-07 Received：2021-11-29；Revised：2022-01-07 基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFE0125400）；安徽高校研究生科学研究项目（YJS20210339） Fund：National Key Research and Development Program of China (2017YFE0125400); Graduate Scientific Research Project of Anhui Universities (YJS20210339) 作者简介：刘源（1998—），男，硕士研究生，主要研究方向为HiPIMS技术制备硬质涂层。 Biography：LIU Yuan (1998—), Male, Postgraduate, Research focus: hard coatings by HiPIMS. 通讯作者：丁继成（1987—），男，博士，副教授，主要研究方向为先进PVD涂层刀具。 Corresponding author：DING Ji-cheng (1987—), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: PVD hard coating. 通讯作者：王启民（1977—），男，博士，教授，主要研究方向为先进PVD涂层刀具。 Corresponding author：WANG Qi-min (1977—), Male, Doctor, Professor, Research focus: PVD hard coating. 引文格式：刘源, 丁继成, 许雨翔, 等. 电弧离子镀和高功率脉冲磁控溅射AlTiN涂层及其切削性能研究[J]. 表面技术, 2022, 51(2): 57-65. LIU Yuan, DING Ji-cheng, XU Yu-xiang, et al. Preparation and Cutting Performance of AlTiN Coatings by Arc Ion Plating and High Power Pulsed Magnetron Sputtering[J]. Surface Technology, 2022, 51(2): 57-65. 电弧离子镀和高功率脉冲磁控溅射
中科院力学所科技成果——高能脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术及工程应用
中科院力学所科技成果——高能脉冲磁控溅射（HiPIMS）技术及工程应用
技术介绍及特点
高能脉冲磁控溅射技术是利用较高的脉冲峰值功率和较低的脉冲占空比来产生高溅射金属离化率的一种磁控溅射技术。力学所引进德国huttinger电源，与等离子体淹没离子注入沉积（PIII&D）方法相结合，形成一种新颖的成膜过程与质量调控技术，是可应用于大型矩形靶的离化率可控磁控溅射新技术，填补了国内在该方向的研究空白。将高能冲击磁控溅射与高压脉冲偏压技术复合，利用其高离化率和淹没性的特点，通过成膜过程中入射粒子能量与分布的有效操控，实现高膜基结合力、高品质、高均匀性薄膜的制备。
同时结合全新的粒子能量与成膜过程反馈控制系统，开展高离化率等离子体发生、等离子体的时空演变及荷能粒子成膜物理过程控制等方面的研究与工程应用。其核心技术具有自主知识产权，已申请相关发明专利两项。
该项技术对实现PVD沉积关键瓶颈问题的突破具有重大意义，有助于提升我国在表面工程加工领域的国际竞争力。如在交通领域，该技术用于汽车发动机三部件，可降低摩擦25%，减少油耗3%；机械加工领域，沉积先进镀层可使刀具寿命提高2～10倍，加工速度提高30-70%；综上所述，该装备系统将在卫星通讯、等离子物理、新材料等领域具有重要的工业应用价值。
高能脉冲磁控溅射等离子体发生与成膜控制平台
工作中的高能脉冲磁控溅射靶 应用领域
工模具高温涂层：汽车、航空航天、军事等先进制造行业应用
稀土铝耐蚀薄膜：NdFeB磁铁行业环保涂层应用
太阳能薄膜：光伏发电及新能源领域应用
生物工程薄膜：生物医用领域应用
技术成熟度及应用案例
技术成熟度：中试阶段
应用案例1：与长春一汽开展合作。中科院力学所采用高能脉冲磁控溅射技术及多弧离子镀技术开发了TiCN、AlCrN、CrAlSiN、DLC等系列三元、四元高硬高温涂层，应用于长春一汽的压铸模具、热锻模具，可使其加工寿命提高3-5倍以上，尤其是含钇高温涂层，在国内率先实现了800-1200℃环境下热锻模具的薄膜工程应用。国内高端模具真空镀膜处理的需求市场份额在100-150亿元之间。
脉冲磁控溅射制备氧化铝涂层的结构和性能控制(上)
脉冲磁控溅射制备氧化铝涂层的结构和性能控制(上)
Kelly P J;Arnell R D;范崇治
【摘 要】氧化铝涂层提供了在腐蚀或氧化环境下金属零件的保护,虽然,直到最近完全致密、无缺陷的氧化物涂层的制备是非常困难的,氧化物涂层可在氧化环境中用一个金属靶的直流反应溅射的方法或用一个氧化物靶的射频溅射的方法制造.后面一种方法沉积率很低,不能商业应用.直流溅射高绝缘材料,例如氧化铝也是有问题的,在靶表面上建立绝缘层会导致电弧,电弧会影响沉积过程的稳定性,且会造成薄膜的结构和特性的负面影响.但一个新技术——脉冲磁控溅射大大增强制造这种材料的可行性,已经证明在10～200kHz范围磁控放电能阻止在靶面电弧的形成,工艺稳定,沉积率高.这个技术用来沉积从纯铝到理想配比的Al2O3,该涂层的性能用扫描和透射电子显微镜、X射线衍射仪、4点探针及纳米识别技术进行了研究,用涂层的组成来说明观察到的结构和特性的变化,并用新结构模型图表示.
【期刊名称】《太阳能》
【年(卷),期】2013(000)019
【总页数】3页(P10-12)
【关键词】氧化铝;涂层;脉冲磁控溅射
【作 者】Kelly P J;Arnell R D;范崇治
【作者单位】;;清华大学
【正文语种】中 文
一 引言
氧化铝薄膜包含有若干有用特性，包括低折射系数、高电阻率、高硬度和耐用性，因此广泛应用于光学和微电子领域，也可用于切割工具。氧化铝的化学惰性使它作为耐腐蚀和氧化环境下金属元件涂层的侯选材料。
但直到最近，在复杂元件的表面进行全致密、无缺陷的氧化涂层沉积证明是非常困难的。在可控氧气情况下反应直流磁控溅射金属靶而沉积氧化涂层，也可用射频法完成。在溅射过程中，离开主轨道的靶区有一层绝缘层，即靶“中毒”，这样靶的接地屏蔽被遮盖，绝缘不断充电直到电弧产生而损坏，从靶面上以碎片形式弹射下来，会导致薄膜的缺陷，伤害薄膜的光学和抗腐蚀性质。此外靶上的破损成为进一步放电的区域，导致电弧发生频率的增加，该过程有反馈环控制，弧会阻止工艺的稳定运行，沉积参数快速波动，反过来能影响薄膜的化学配比，总之在反应溅射工艺中电弧能导致一系列的问题，它会影响结构、成分和膜的特性，也可能导致磁控电源的损坏。但最近开发脉冲磁控溅射(PMS)工艺克服了许多在反应溅射模式下遇到的问题。发现了脉冲磁控放电在中频范围(10～200kHz)时，沉积绝缘膜可大大地减少弧的发生，因此减少了缺陷的形成，例如Schiller发现在反应沉积Al2O3时，频率从10～50kHz变化，膜的缺陷密度减小了若干数量级，脉冲放电使反应沉积过程稳定，这使得Frach研究者得到了50µm厚的实际无缺陷沉积，也有人报导了PMS过程的高速沉积率。若干研究者发现脉冲磁控溅射氧化物涂层能达到纯金属沉积系的50%～75%，这一速率大大高于直流反应磁控溅射的典型值，直流磁控典型工作在靶电压为-500～-400V，在脉冲溅射工艺中，靶电压达到这样大时其时间是受限制的，以致绝缘层的充电不能达到雪崩和产生电弧，在电压去掉时靶电压是反向的，电量就通过等离子耗散掉，在等离子体中电子比离子具有更大的迁移性，因此靶电压只需返转到工作电压的10%，也就是+40～+50V即可(在此情况下工作时被称为不对称双极脉冲溅射)。
磁控溅射
磁控溅射 1
磁控溅射
1、磁控溅射
磁控溅射是一个磁控运行模式的二极溅射。它与二~四极溅射的主要不同点：一是，在溅射的阴极靶后面设置了永久磁钢或电磁铁。在靶面上产生水平分量的磁场或垂直分量的磁场(例如对向靶)，由气体放电产生的电子被束缚在靶面附近的等离子区内的特定轨道内运转;受电场力和磁场力的复合作用，沿一定的跑道作旋轮转圈。靶面磁场对荷电粒子具有约束作用，磁场愈强束缚的愈紧。由于电磁场对电子的束缚和加速，电子在到达基片和阳极前，其运动的路径也大为延长，使局部Ar气的碰撞电离几率大大增加，氩离子Ar+在电场作用下加速，轰击作为阴极的靶材。把靶材表面的分子、原子及离子及电子等溅射出来，提高了靶材的飞溅脱离率。被溅射出来的粒子带有一定的动能，沿着一定的方向射向基体，最后沉积在基体上成膜。经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低,摆脱磁力线的束缚,最终落在基片、真空室内壁及靶电源阳极上。
工作气体电离几率的增加和靶材离化率的提高，使真空气体放电时内阻减小，故磁控靶发生溅射沉积时的工作电压较低(多数在4-600V之间)，有的工作电压略高(例如>700V)，有的工作电压较低(例如300V左右)。磁控溅射发生时，其溅射工作电压主要降落在磁控靶的阴极位降区上。
由于磁控溅射沉积的膜层均匀、致密、针孔少，纯度高，附着力强，可以在低温、低损伤的条件下实现高速沉积各种材料薄膜，已经成为当今真空镀膜中的一种成熟技术与工业化的生产方式。磁控溅射技术在科学研究与各行业工业化生产中得到了迅速发展和广泛应用。 磁控溅射 2
总之，磁控溅射技术就是利用电磁场来控制真空腔体内气体“异常辉光放电”中离子、电子的运动轨迹及分布状况的溅射镀膜的工艺过程。
2、产生磁控溅射的三个条件
磁控气体放电进而引起溅射，必须满足三个必要而充分的条件：
(1)第一，具有合适的放电气体压强P：直流或脉冲中频磁控放电，大约在0. 1 Pa~10Pa左右)，典型值为5×10-1Pa;射频磁控放电大约在10-1~10-2Pa。
磁控溅射 2
2.2.1.溅射原理
溅射法沉积薄膜是物理气相沉积的一种，它利用荷电的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向预溅射的靶电极，在入射离子能量合适的情况下，将靶表面的原子溅射出来。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，从而实现在衬底上沉积薄膜。溅射有两条最基本的特点：一是由辉光放电提供的高能离子或中性原子碰撞靶材表面，将其动量传递给靶材；二是动量传递导致某些粒子从靶表面溅射出来。离子轰击靶表面时除了会击出靶材原子外还会击出电子，即二次电子，这些电子在电场中加速后，与气体原子或分子碰撞，使其电离，从而使等离子体得以维持。在溅射的过程中通入少量的活性气体，使它与溅射出的靶原子在衬底上反应形成化合物薄膜，称为反应溅射。对于一般的溅射沉积方法具有两个缺点：第一，薄膜的沉积速率较低；第二，溅射所需的工作气压较高，如果工作气压低于1.3 Pa，电子的平均自由程太长，没有足够的离化碰撞，自持放电很难维持。作为薄膜沉积的一种技术，自持放电最严重的缺陷是用于产生放电的惰性气体对所沉积薄膜构成的污染。
一般溅射的效率一般不高，为了提高溅射效率，就需要增加气体的离化效率。因为溅射用于轰击靶材的离子来源于等离子体，提高溅射镀膜速率的关键在于如何提高等离子体的密度或电离度，以降低气体放电的阻抗从而在相同的放电功率下获得更大的电流，即获得更多的离子以轰击靶材。提高等离子体的密度或电离度的关键在于如何充分利用电子的能量，使其最大限度地用于电离。
图2.1磁控溅射系统示意图
在普通溅射系统的基础上增加一个发射电子的热阴极和一个辅助阳极，构成三极(或称四极)溅射系统。由于热阴极发射电子的能力较强，因而放电气压可以维持在较低的水平上，这对于提高沉积速率、减少气体杂质污染都是有利的。但是这种三极(或称四极)溅射的缺点是难以获得大面积且分布均匀的等离子体，且其提高薄膜沉积速率的能力有限，因而这一方法未获得广泛使用。利用高频放电装置，在交变电场中振荡的电子具有足够高的能量产生离化碰撞，可将气体离化率提高到一个较高的水平，在低气压下也能实现自持放电，即射频溅射。提高离化率也可以通过施加磁场的方式来实现，磁场的作用是使电子不是做平行直线运动，而是围绕磁力线做螺旋运动，这就意味着电子的运动路径由于磁场的作用而大幅度增加，从而有效地提高在直线运动距离内的气体离化效率，即磁控溅射。
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：03350130104 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。在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。
调制中频高功率脉冲磁控溅射电源的设计
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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
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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。
双极性脉冲磁控溅射电源设计
045004-1 第30卷第4期强激光与粒子束Vol.30,No.4 2018年4月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSApr.,2018 双极性脉冲磁控溅射电源设计*
李 波1, 李博婷2, 叶 超1, 谭巍巍2, 黄 斌1, 赵 娟1,鲁向阳2, 黄宇鹏1, 张 信1, 齐卓筠1, 康传会1(1.中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621900;2.北京大学物理学院,北京100871) 摘 要: 双极性脉冲电源是磁控溅射系统中的关键设备之一。根据铌溅射处理装置的技术要求,研制了一套输出电压0~800V可调、脉冲宽度20~200μs可调、频率0~60Hz可调、脉冲电流最大幅值约150A的双极性脉冲电源,分别给出了该电源在水电阻负载和等离子体负载下的实验结果。设计上采用DSP控制开关电源的方式对储能电容器进行恒流充电;综合应用FPGA,PLC及触摸屏组成人机交互系统,控制输出光脉冲信号,经负压偏置驱动后使桥式结构的脉冲形成网络产生正负交替双极性脉冲。通过大量实验论证,该电源解决了等离子体负载放电打弧等问题,达到了理想的溅射效果,满足了指标要求。 关键词: 双极性脉冲; FPGA; 桥式脉冲形成网络; 等离子体 中图分类号: TN86 文献标志码: A doi:10.11884/HPLPB201830.170393 磁控溅射是指电子在相互正交的电场和磁场作用下,利用磁场约束作用,改变电子运动方向,使电子在靶材表面附近做螺旋状运动,延长电子运动路径,从而增加电子与工作气体分子的碰撞几率,提高电子对工作气体分子的电离效率[1]。电离的离子在电场作用下轰击靶面,使靶材原子溅射出来飞向基底,并在基底表面沉积[2]。磁控溅射技术以其溅射沉积率高、膜层附着力好、致密度高等优点,广泛应用于镁铝合金等金属材料的表面处理中[3-4]。随着磁控溅射技术的不断改善发展,其应用领域也在不断地扩大,尤其在近年来发展迅速的高速率溅射和自溅射工艺中,溅射材料具有较高的离化率,可以缩短溅射淀积时间,提高产生效率,同时还可以减小甚至是消除对惰性气体的需求,改善膜层的沉积质量,有望取代对环境有污染的电镀技术[5-7]。磁控溅射工艺要求磁控溅射电源快速电离工作气体形成稳定的等离子体,在靶材表面形成稳定的入射离子流。磁控溅射电源通常分为直流电源和脉冲电源两种。直流电源制备薄膜时容易出现靶中毒、阳极消失、放电打弧等问题[8]。脉冲电源分为单极性脉冲电源和双极性脉冲电源,输出的脉冲信号电压波形近似矩形波。在一个周期内,单向脉冲电源正向电压为零,溅射沉积只发生在负向电压,零电压时靶材表面电荷中和效果不理想;而双极性电源在负向电压时,电源电压用于靶材的溅射;在正向电压时,引入电子清洁靶材表面,中和靶材表面积累的正电荷,能够有效地克服薄膜沉积过程中电荷的积累和打弧,从而有效地解决阴极中毒、阳极消失等问题。目前国内从事用于等离子体设备的电源专业厂家很少,生产脉冲磁控溅射电源的厂家就更少,且大都是直流电源和单极性脉冲磁控溅射电源;西安理工大学陈桂涛等人采用一个非对称脉冲发生器成功研制了双极性脉冲电源样机,由于输出电压不高,不能满足铌靶溅射的要求。本文根据铌电源设计要求,设计上巧妙地运用桥式脉冲形成网络电路结构拓扑,通过FPGA控制MOSFET开关管的通断,在负载上产生最高电压幅值800V正负交替的双极性脉冲。1 系统结构及工作原理 双极性脉冲磁控溅射电源系统组成如图1所示,由控制系统、高压充电单元和等离子体放电回路三个部分组成,其中高压充电单元由高压电源、储能单元组成,等离子体放电回路单元由负电压偏置驱动电路、桥式脉冲形成网络及等离子体负载组成。 首先通过面板触摸屏设置正、负高压直流电源的输出电压(储能电容器的充电电压),控制系统控制高压电源对储能单元进行恒流充电;设置磁控溅射电源输出的脉冲电压宽度、工作频率和允许最大输出脉冲电流,通过控制系统输出光脉冲信号,光脉冲信号经负电压偏置驱动电路后使桥式脉冲形成网络中的MOSFET开关
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
- 1 - 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
Classified Index: TG174
U.D.C.: 621.785
Dissertation for the Master Degree in Engineering
PROPERTY OF HIGH POWER PULSED MAGNETRON
SPUTTERING PLASMA AND DEPOSION OF TiN
COATINGS
Candidate: Li Xiping
Supervisor: Prof. Tian Xiubo
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Specialty: Materials Processing Engineering
Affiliation: School of Materials Science and
Engineering
Date of Defence: July, 2008
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
- I - 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