[发明专利]一种实现高脉冲功率磁控放电方法

说明书

技术领域

本发明属于电工工程技术领域，涉及一种在非平衡磁控靶放电系统中通过调整磁场空间分布，放电条件、电极结构和电源谐振特性形成自触发的高功脉冲率磁控放电方法，特点是磁场空间分布，放电条件、电极结构和电源谐振特性互相匹配，形成的高脉冲功率磁控放电具有参数调整范围大，结构简单和工作、安全、可靠。

背景技术

低气压磁控放电技术广泛应用于表面工程、电工、航空航天等领域，磁控放电的电场和磁场相互正交构成正交场，正交场和电极形成封闭的放电空间约束放电电荷，提高放电效率。采用比较典型的采用正交场放电的器件有表面工程领域的各种磁控溅射技术、电工领域的气体开关技术等等。在表面工程中磁控溅射沉积技术用于材料改性和薄膜沉积，普通的磁控溅射装置中采用阴极表面的封闭磁场产生等离子体，其中离子在阴极电压的作用下轰击阴极材料形成溅射效应和沉积薄膜，薄膜沉积的过程中等离子体密度影响沉积到被镀工件表面的薄膜性能，因此设计者不断采用各种技术措施来提高等离子体密度和轰击到被镀工件表面的离子电流密度。《溅射沉积技术的发展和现状》(《真空科学与技术学报》Vol.25，No.3，2005)和《磁控溅射技术进展及应用》(《现代仪器》No.5，2005)介绍了目前各种磁控溅射沉积技术的发展和应用情况，一般磁控溅射的电源采用直流和中频的脉冲技术，粒子能量在几个电子伏特左右，形成的等离子体离化率低，难以获得理想的等离子体状态，使磁控溅射装置的应用受到限制。近年来开发了大功率脉冲磁控溅射技术(High Power PulseMagnetron Sputtering，HPPMS，或High Power Impulse Magnetron Sputtering，HPIMS)[V.Kouznetsov，K.Maca，J.M.Schneider，et.al.，Surface and CoatingsTechnology 122(1999)290-293]。大功率脉冲磁控溅射技术能够形成高密度、高离化率等离子体。V.Kouznetsov等最早研究了HPPMS技术，功率密度达到几个kW/cm2，离子电流达到几个A/cm2；Andersson表明HPPMS溅射钛靶的过程中形成了高价态离子，并由此形成了具有较高等离子体密度的自持溅射现象；放电特性和阴极材料、放电气压、电源参数、等离子体密度以及有金属离子的运动速度有密切的关系[2]。

HPPMS提高了脉冲瞬间能量，同时保持较低的平均能量输入，通常采用脉冲频率为1-100Hz的开关脉冲电源放电，其放电的机理仍然处于基础研究阶段，大功率的开关电源对于开关器件有较高的要求，也限制了放电功率等性能的进一步提高。由于对放电机制仍然处于基础研究阶段，也限制了这种技术的推广应用，进一步改进高功率脉冲磁控溅射技术的途径必然要在放电技术和原理上有进一步的进展。

高脉冲功率的开关技术是各种高新技术的基础，比如激光核聚变、脉冲X射线等，需要极高的瞬间电流和耐受较高的电压，半导体脉冲开关器件容易小型化，但是能够承受的瞬间电流和耐受的电压受到限制，采用气体放电的方法可能形成较高瞬间电流和耐受较高的电压，所以在脉冲功率领域，广泛应用气体放电技术形成需要的高脉冲功率，但是连续性能较差，通常需要专门的触发机构，这为系统带来了可靠性的问题，为了解决这些问题急需在放电原理和技术上取得突破。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种实现高脉冲功率的磁控放电方法，该方法实现了高脉冲功率磁控放电的自触发，避免脉冲开关电源的开关器件对提高放电功率的限制；磁控靶前设置空心阴极结构提高自触发等离子体的初始密度，实现高脉冲功率放电。

本发明的技术解决方案是：