高功率脈沖磁控濺射技術（HPPMS）由于能夠產生較高的離化率而受到人們的重視。為了提高離化率/ 沉積速率協同效應，基于直流和脈沖耦合疊加技術我們研制了高功率密度復合脈沖磁控濺射電源，并對高功率復合脈沖磁控濺射放電特性進行研究。結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量級以上，表明磁控離化率得到顯著增強。

　　磁控濺射技術廣泛應用于薄膜制備領域，但傳統的磁控濺射處理技術濺射金屬大多以原子狀態存在，可控性較差，沉積薄膜的質量和性能較難優化，近年來國外發展了高功率脈沖磁控濺射技術，它的峰值功率可以比普通磁控濺射高2 個數量級；金屬離子離化率可達70%以上；反應磁控濺射金屬靶面不容易中毒；離化粒子獲得的能量高，這些效應對于控制膜層質量、優化膜層結構是非常有利的，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，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已成為磁控濺射研究領域的前沿和熱點。

　　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離化的作用，優化脈沖起輝特性；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制。為此我們研制了新型的高脈沖功率密度復合磁控濺射電源，并對復合脈沖條件下的放電特性進行了研究，為高功率復合脈沖磁控濺射技術應用提供依據。

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和并聯兩種形式，如圖1 所示。為了控制方便，本文采用了并聯工作模式。在這種電路結構中，直流電源給磁控靶提供一個恒定的直流電流，維持一個傳統的直流磁控濺射，同時對脈沖等離子體產生起到一個預離化的作用，否則容易產生打火。脈沖電源是將直流電壓通過可控開關器件斬波成脈沖電壓向等離子體負載放電。可控開關器件的導通和關斷由發電路控制。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，逆變結構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換為脈沖交流電。經高頻變壓器，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 驅動放大、恒流控制以及過流保護等部分組成。直流電源部分的設計功率為10~20 kW，空載電壓900 V。

（a）直流和脈沖并聯模式　　(b) 直流和脈沖串聯模式

圖1 電源電路結構圖

　　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 作為開關串聯在直流回路中，通過觸發脈沖控制半導體開關管的通斷，進而控制了等離子體負載脈沖電壓的有無。脈沖電源設計參數為：脈沖電流可達100~300 A，電壓200~1500 V， 脈沖寬度20~300 μs， 脈沖頻率10~500 Hz ，這些參數還可以根據需要調整。研制的高脈沖功率密度復合磁控濺射電源如圖2 所示。

圖2 自行研制的電源照片

3、結論

　　采用并聯式的直流與脈沖疊加方式設計并研制了高脈沖功率復合脈沖磁控濺射電源，設備穩定可靠。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到一個恒定值后變化不大；流經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。可以預見高脈沖功率密度復合磁控濺射技術將會促進鍍膜技術的發展。