CN102254778A

CN102254778A - 一种实现高脉冲功率磁控放电方法

Info

Publication number: CN102254778A
Application number: CN2010103014116A
Authority: CN
Inventors: 牟宗信; 牟晓东; 贾莉; 郝胜智; 王春; 董闯
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2011-11-23

Abstract

本发明公开了一种实现高脉冲功率磁控放电方法，属于电工工程技术领域。其特征是该方法实现了通过调整横向磁场特性和非平衡磁场特性与磁控靶辉光放电的放电条件、瞬态特性相匹配，由电源的谐振特性与磁控靶的谐振特性相匹配，实现自触发和形成高脉冲功率磁控放电；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和放电功率密度，实现高脉冲功率磁控放电；与现有高脉冲功率磁控放电方法相比具有结构简单，对放电系统和电源要求低，工作可靠，从而实现更高工作效率和可靠性的放电方法。

Description

一种实现高脉冲功率磁控放电方法

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：

以平面磁控靶为例，首先改进磁控靶的磁场结构，磁控靶的磁场结构为非平衡磁场分布，磁控靶表面的磁场磁力线与磁控靶构成封闭的空间，或者特征是放电时电场与磁力线正交，形成技术上称为“正交场”放电，磁控靶的外缘磁极的磁感应强度应大于中心磁极的磁感应强度，外缘磁极的磁力线能够向放电空间延伸形成非平衡的磁控溅射。形成非平衡磁控溅射的外缘磁场可以由磁控靶内部的磁极形成，也可以是磁力线方向与磁控靶同轴的磁极或外间的同轴线圈构成，通过调整横向磁场特性和非平衡磁场特性与磁控靶辉光放电瞬态特性相匹配实现自触发放电，这时非平衡磁场的作用体现在两个方面：一是影响和约束磁控靶辉光放电的自触发形成的电荷，二是约束放电形成的等离子体。第二种要素是在非平衡磁控溅射的基础上增设空心阴极结构，空心阴极的尺寸与磁控靶尺寸相匹配，能够有效地约束电荷和利用空心阴极效应提高自触发初始等离子体的密度，提高高脉冲功率放电的能量。第三种要素是在等离子体非平衡磁场与自触发放电相匹配基础上，要求电源的谐振特性与磁控靶的谐振特性相匹配。在磁控靶结构、电磁场特性和电源谐振特性相匹配的基础上实现高脉冲功率的磁控放电。

放电采用非平衡磁控靶，也可以采用磁控靶与辅助的磁极或者辅助的电磁线圈，要求放电过程中存在正交场或者放电电荷迁移方向的横向磁场，电源可以直接采用直流电源、脉冲电源；触发方式可以利用辉光放电的自触发，也可以利用其它的辅助触发方式，如外加的脉冲电源、直流电源、外加的脉冲离子束源、电子束、激光束、微波源、脉冲电源或脉冲磁场等激励；电极的结构可以采用空心阴极增强放电，也可以改进为其他的电极形式，上述技术要素应与其它放电条件如气压、电源电压、放电气体成份等因素相匹配，发明的基本的技术特点是实现自触发和实现高脉冲功率的磁控放电。

整个放电系统是一个利用电场和磁场正交的交叉场结构或者具有横向磁场的结构约束、影响放电等离子体或者，磁场的分布特点是磁场的磁力线平行电极的表面，或者在放电空间横向分布，在电极之前采用电激励线圈或永磁体，通过优化设计改变阴极表面的磁场结构，在构成磁效应的磁场中磁场感应强度因在应在0T-30T的范围之内，电压的范围是在0-1MV之间，放电频率在1-1MHz，在真空压力在0-100MPa之间，控制正交于电场方向或横向放电空间磁场和电源电压相匹配形成等离子体脉冲，通过使用脉冲开关、直流电源供电或者直接使用的可调直流电源为放电系统提供电能。

本发明的效果和益处是与现有高脉冲功率磁控放电方法相比具有结构简单，对放电系统和电源要求低，工作可靠，从而实现更高工作效率和可靠性的放电方法。实现自触发的空心阴极高脉冲功率的磁控放电，突破原有高脉冲功率的磁控放电原理限制，能够实现更高的效率，可以应用于电工领域、表面工程、航天领域等多种领域，是传统磁控放电技术的替代方法，应用于表面工程领域时，易形成高密度的等离子体束流、且放电过程更稳定，所沉积的薄膜性能更佳；用于航空航天领域能够实现高功率、大推力的效果，应用于电工工程领域具有结构简单，连续工作，脉冲功率可调的效果。

附图说明

附图是实现自触发空心阴极高脉冲功率磁控溅射放电装置的结构示意图。

图中：1同轴线圈；2电极材料；3永磁体；4放电电源；5线圈电源；

6磁力线；7空心阴极；8基片；9中心线；10偏压电源；11接地。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例1

本发明涉及的一种实现高脉冲功率磁控放电的磁控放电系统，磁控靶的结构和内部磁路结构由附图1所示，图中采用以中线9为对称轴的极化坐标，必须具备主要构件有1同轴线圈；2电极材料；3永磁体；4放电电源；5线圈电源；6磁力线；7空心阴极；8基片；10偏压电源；11接地组成，通过永磁体3和同轴线圈1优化磁场的分布状态，磁场结构具有非平衡磁控靶的特征，磁场在电极表面形成封闭的磁场结构，磁力线6要在磁控靶的放电空间形成开放的分布，放电电场与磁控靶2表面磁力线6正交，形成适当的交叉场空间，磁场强度在表面典型数值是160mT，磁场强度和电源4供给功率互相匹配，采用脉冲电源输出频率为10-10KHz，直流电源250-600V，输出电流大于0.5A，放电气压在0.1Pa-5Pa之间，磁控靶连接到电源的输出端，电源要有接地11的设置，形成高脉冲功率磁控放电耦合电源能量。

Claims

1.一种实现高脉冲功率磁控放电方法，其特征在于：通过调整横向磁场特性和非平衡磁场特性与磁控靶辉光放电的放电条件、瞬态特性相匹配，由电源的谐振特性与磁控靶的谐振特性相匹配，实现自触发和形成高脉冲功率磁控放电；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衡放电功率密度，实现高脉冲功率磁控放电；所述的放电条件包括气压、电源电压、电极形式、电场、磁场条件和放电气体成份；触发方式利用辉光放电的启辉过程与由磁控靶磁场特性和放电条件控制的放电瞬态特性相匹配；在磁控靶上设置空心阴极的电极结构、形式和参数匹配能够提高脉冲功率。

2.根据权利要求1所述的一种实现高脉冲功率磁控放电方法，其特征还在于：在放电空间中通过电极结构、形式和参数匹配。

3.根据权利要求1所述的一种实现高脉冲功率磁控放电方法，其特征还在于：触发方式利用其它外加触发辅助装置，包括脉冲电源、直流电源、外加的脉冲离子束源、电子束、激光束、微波源、脉冲电场或脉冲磁场。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种实现高脉冲功率磁控放电方法，其特征还在于：通过控制交叉场中的磁场强度、磁场空间分布以及磁场特性和电源电压、放电气压和气体成分互相匹配来调整放电中的各种磁效应。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种实现高脉冲功率磁控放电方法，其特征还在于：在电极表面形成平行电极表面的磁场；在构成磁效应的磁场中磁场感应强度应在0T-30T的范围之内。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种实现高脉冲功率磁控放电方法，其特征还在于：包括应用该机制的磁约束核聚变装置、强流电子束、强流离子束、高功率磁控溅射和其它粒子束源，采用磁镜场约束电荷或等离子体的装置及其它放电装置。