專利名稱：一種實(shí)現(xiàn)高脈沖功率磁控放電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電工工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種在非平衡磁控靶放電系統(tǒng)中通過(guò)調(diào)整磁場(chǎng)空間分布，放電條件、電極結(jié)構(gòu)和電源諧振特性形成自觸發(fā)的高功脈沖率磁控放電方法， 特點(diǎn)是磁場(chǎng)空間分布，放電條件、電極結(jié)構(gòu)和電源諧振特性互相匹配，形成的高脈沖功率磁控放電具有參數(shù)調(diào)整范圍大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和工作、安全、可靠。
背景技術(shù)：
低氣壓磁控放電技術(shù)廣泛應(yīng)用于表面工程、電工、航空航天等領(lǐng)域，磁控放電的電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互正交構(gòu)成正交場(chǎng)，正交場(chǎng)和電極形成封閉的放電空間約束放電電荷，提高放電效率。采用比較典型的采用正交場(chǎng)放電的器件有表面工程領(lǐng)域的各種磁控濺射技術(shù)、 電工領(lǐng)域的氣體開關(guān)技術(shù)等等。在表面工程中磁控濺射沉積技術(shù)用于材料改性和薄膜沉積，普通的磁控濺射裝置中采用陰極表面的封閉磁場(chǎng)產(chǎn)生等離子體，其中離子在陰極電壓的作用下轟擊陰極材料形成濺射效應(yīng)和沉積薄膜，薄膜沉積的過(guò)程中等離子體密度影響沉積到被鍍工件表面的薄膜性能，因此設(shè)計(jì)者不斷采用各種技術(shù)措施來(lái)提高等離子體密度和轟擊到被鍍工件表面的離子電流密度?！稙R射沉積技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀》(《真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)》Vol. 25，No. 3,2005)和《磁控濺射技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用》(《現(xiàn)代儀器》No. 5，2005)介紹了目前各種磁控濺射沉積技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用情況，一般磁控濺射的電源采用直流和中頻的脈沖技術(shù)，粒子能量在幾個(gè)電子伏特左右，形成的等離子體離化率低，難以獲得理想的等離子體狀態(tài)，使磁控濺射裝置的應(yīng)用受到限制。近年來(lái)開發(fā)了大功率脈沖磁控濺射技術(shù)(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]。大功率脈沖磁控濺射技術(shù)能夠形成高密度、高離化率等離子體。V. Kouznetsov等最早研究了 HPPMS技術(shù)，功率密度達(dá)到幾個(gè)kW/cm2，離子電流達(dá)到幾個(gè)A/cm2 ；Andersson表明HPPMS濺射鈦靶的過(guò)程中形成了高價(jià)態(tài)離子，并由此形成了具有較高等離子體密度的自持濺射現(xiàn)象；放電特性和陰極材料、放電氣壓、電源參數(shù)、等離子體密度以及有金屬離子的運(yùn)動(dòng)速度有密切的關(guān)系[2]。HPPMS提高了脈沖瞬間能量，同時(shí)保持較低的平均能量輸入，通常采用脈沖頻率為 I-IOOHz的開關(guān)脈沖電源放電，其放電的機(jī)理仍然處于基礎(chǔ)研究階段，大功率的開關(guān)電源對(duì)于開關(guān)器件有較高的要求，也限制了放電功率等性能的進(jìn)一步提高。由于對(duì)放電機(jī)制仍然處于基礎(chǔ)研究階段，也限制了這種技術(shù)的推廣應(yīng)用，進(jìn)一步改進(jìn)高功率脈沖磁控濺射技術(shù)的途徑必然要在放電技術(shù)和原理上有進(jìn)一步的進(jìn)展。高脈沖功率的開關(guān)技術(shù)是各種高新技術(shù)的基礎(chǔ)，比如激光核聚變、脈沖X射線等， 需要極高的瞬間電流和耐受較高的電壓，半導(dǎo)體脈沖開關(guān)器件容易小型化，但是能夠承受的瞬間電流和耐受的電壓受到限制，采用氣體放電的方法可能形成較高瞬間電流和耐受較高的電壓，所以在脈沖功率領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用氣體放電技術(shù)形成需要的高脈沖功率，但是連續(xù)性能較差，通常需要專門的觸發(fā)機(jī)構(gòu)，這為系統(tǒng)帶來(lái)了可靠性的問(wèn)題，為了解決這些問(wèn)題急需在放電原理和技術(shù)上取得突破。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種實(shí)現(xiàn)高脈沖功率的磁控放電方法，該方法實(shí)現(xiàn)了高脈沖功率磁控放電的自觸發(fā)，避免脈沖開關(guān)電源的開關(guān)器件對(duì)提高放電功率的限制；磁控靶前設(shè)置空心陰極結(jié)構(gòu)提高自觸發(fā)等離子體的初始密度，實(shí)現(xiàn)高脈沖功率放電。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是以平面磁控靶為例，首先改進(jìn)磁控靶的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，磁控靶的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)為非平衡磁場(chǎng)分布，磁控靶表面的磁場(chǎng)磁力線與磁控靶構(gòu)成封閉的空間，或者特征是放電時(shí)電場(chǎng)與磁力線正交，形成技術(shù)上稱為“正交場(chǎng)”放電，磁控靶的外緣磁極的磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)大于中心磁極的磁感應(yīng)強(qiáng)度，外緣磁極的磁力線能夠向放電空間延伸形成非平衡的磁控濺射。形成非平衡磁控濺射的外緣磁場(chǎng)可以由磁控靶內(nèi)部的磁極形成，也可以是磁力線方向與磁控靶同軸的磁極或外間的同軸線圈構(gòu)成，通過(guò)調(diào)整橫向磁場(chǎng)特性和非平衡磁場(chǎng)特性與磁控靶輝光放電瞬態(tài)特性相匹配實(shí)現(xiàn)自觸發(fā)放電，這時(shí)非平衡磁場(chǎng)的作用體現(xiàn)在兩個(gè)方面一是影響和約束磁控靶輝光放電的自觸發(fā)形成的電荷，二是約束放電形成的等離子體。第二種要素是在非平衡磁控濺射的基礎(chǔ)上增設(shè)空心陰極結(jié)構(gòu)，空心陰極的尺寸與磁控靶尺寸相匹配， 能夠有效地約束電荷和利用空心陰極效應(yīng)提高自觸發(fā)初始等離子體的密度，提高高脈沖功率放電的能量。第三種要素是在等離子體非平衡磁場(chǎng)與自觸發(fā)放電相匹配基礎(chǔ)上，要求電源的諧振特性與磁控靶的諧振特性相匹配。在磁控靶結(jié)構(gòu)、電磁場(chǎng)特性和電源諧振特性相匹配的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高脈沖功率的磁控放電。放電采用非平衡磁控靶，也可以采用磁控靶與輔助的磁極或者輔助的電磁線圈， 要求放電過(guò)程中存在正交場(chǎng)或者放電電荷遷移方向的橫向磁場(chǎng)，電源可以直接采用直流電源、脈沖電源；觸發(fā)方式可以利用輝光放電的自觸發(fā)，也可以利用其它的輔助觸發(fā)方式，如外加的脈沖電源、直流電源、外加的脈沖離子束源、電子束、激光束、微波源、脈沖電源或脈沖磁場(chǎng)等激勵(lì)；電極的結(jié)構(gòu)可以采用空心陰極增強(qiáng)放電，也可以改進(jìn)為其他的電極形式，上述技術(shù)要素應(yīng)與其它放電條件如氣壓、電源電壓、放電氣體成份等因素相匹配，發(fā)明的基本的技術(shù)特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)自觸發(fā)和實(shí)現(xiàn)高脈沖功率的磁控放電。整個(gè)放電系統(tǒng)是一個(gè)利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)正交的交叉場(chǎng)結(jié)構(gòu)或者具有橫向磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)約束、影響放電等離子體或者，磁場(chǎng)的分布特點(diǎn)是磁場(chǎng)的磁力線平行電極的表面，或者在放電空間橫向分布，在電極之前采用電激勵(lì)線圈或永磁體，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)改變陰極表面的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，在構(gòu)成磁效應(yīng)的磁場(chǎng)中磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度因在應(yīng)在0T-30T的范圍之內(nèi)，電壓的范圍是在0-1MV之間，放電頻率在I-IMHz，在真空壓力在O-IOOMPa之間，控制正交于電場(chǎng)方向或橫向放電空間磁場(chǎng)和電源電壓相匹配形成等離子體脈沖，通過(guò)使用脈沖開關(guān)、直流電源供電或者直接使用的可調(diào)直流電源為放電系統(tǒng)提供電能。本發(fā)明的效果和益處是與現(xiàn)有高脈沖功率磁控放電方法相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)放電系統(tǒng)和電源要求低，工作可靠，從而實(shí)現(xiàn)更高工作效率和可靠性的放電方法。實(shí)現(xiàn)自觸發(fā)的空心陰極高脈沖功率的磁控放電，突破原有高脈沖功率的磁控放電原理限制，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率，可以應(yīng)用于電工領(lǐng)域、表面工程、航天領(lǐng)域等多種領(lǐng)域，是傳統(tǒng)磁控放電技術(shù)的替代方法，應(yīng)用于表面工程領(lǐng)域時(shí)，易形成高密度的等離子體束流、且放電過(guò)程更穩(wěn)定，所沉積的薄膜性能更佳；用于航空航天領(lǐng)域能夠?qū)崿F(xiàn)高功率、大推力的效果，應(yīng)用于電工工程領(lǐng)域具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連續(xù)工作，脈沖功率可調(diào)的效果。


附圖是實(shí)現(xiàn)自觸發(fā)空心陰極高脈沖功率磁控濺射放電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1同軸線圈；2電極材料；3永磁體；4放電電源；5線圈電源；6磁力線；7空心陰極；8基片；9中心線；10偏壓電源；11接地。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。實(shí)施例1本發(fā)明涉及的一種實(shí)現(xiàn)高脈沖功率磁控放電的磁控放電系統(tǒng)，磁控靶的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部磁路結(jié)構(gòu)由附圖1所示，圖中采用以中線9為對(duì)稱軸的極化坐標(biāo)，必須具備主要構(gòu)件有1 同軸線圈；2電極材料；3永磁體；4放電電源；5線圈電源；6磁力線；7空心陰極；8基片； 10偏壓電源；11接地組成，通過(guò)永磁體3和同軸線圈1優(yōu)化磁場(chǎng)的分布狀態(tài)，磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有非平衡磁控靶的特征，磁場(chǎng)在電極表面形成封閉的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，磁力線6要在磁控靶的放電空間形成開放的分布，放電電場(chǎng)與磁控靶2表面磁力線6正交，形成適當(dāng)?shù)慕徊鎴?chǎng)空間，磁場(chǎng)強(qiáng)度在表面典型數(shù)值是160mT，磁場(chǎng)強(qiáng)度和電源4供給功率互相匹配，采用脈沖電源輸出頻率為ΙΟ-ΙΟΚΗζ，直流電源250-600V，輸出電流大于0. 5A，放電氣壓在0. lPa_5Pa之間，磁控靶連接到電源的輸出端，電源要有接地11的設(shè)置，形成高脈沖功率磁控放電耦合電源能量。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)現(xiàn)高脈沖功率磁控放電方法，其特征在于通過(guò)調(diào)整橫向磁場(chǎng)特性和非平衡磁場(chǎng)特性與磁控靶輝光放電的放電條件、瞬態(tài)特性相匹配，由電源的諧振特性與磁控靶的諧振特性相匹配，實(shí)現(xiàn)自觸發(fā)和形成高脈沖功率磁控放電；磁控靶前設(shè)置空心陰極結(jié)構(gòu)提高自觸發(fā)等離子體的初始密度衡放電功率密度，實(shí)現(xiàn)高脈沖功率磁控放電；所述的放電條件包括氣壓、電源電壓、電極形式、電場(chǎng)、磁場(chǎng)條件和放電氣體成份；觸發(fā)方式利用輝光放電的啟輝過(guò)程與由磁控靶磁場(chǎng)特性和放電條件控制的放電瞬態(tài)特性相匹配；在磁控靶上設(shè)置空心陰極的電極結(jié)構(gòu)、形式和參數(shù)匹配能夠提高脈沖功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)高脈沖功率磁控放電方法，其特征還在于在放電空間中通過(guò)電極結(jié)構(gòu)、形式和參數(shù)匹配。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)高脈沖功率磁控放電方法，其特征還在于觸發(fā)方式利用其它外加觸發(fā)輔助裝置，包括脈沖電源、直流電源、外加的脈沖離子束源、電子束、激光束、微波源、脈沖電場(chǎng)或脈沖磁場(chǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種實(shí)現(xiàn)高脈沖功率磁控放電方法，其特征還在于 通過(guò)控制交叉場(chǎng)中的磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)空間分布以及磁場(chǎng)特性和電源電壓、放電氣壓和氣體成分互相匹配來(lái)調(diào)整放電中的各種磁效應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種實(shí)現(xiàn)高脈沖功率磁控放電方法，其特征還在于 在電極表面形成平行電極表面的磁場(chǎng)；在構(gòu)成磁效應(yīng)的磁場(chǎng)中磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)在0T-30T 的范圍之內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種實(shí)現(xiàn)高脈沖功率磁控放電方法，其特征還在于 包括應(yīng)用該機(jī)制的磁約束核聚變裝置、強(qiáng)流電子束、強(qiáng)流離子束、高功率磁控濺射和其它粒子束源，采用磁鏡場(chǎng)約束電荷或等離子體的裝置及其它放電裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種實(shí)現(xiàn)高脈沖功率磁控放電方法，屬于電工工程技術(shù)領(lǐng)域。其特征是該方法實(shí)現(xiàn)了通過(guò)調(diào)整橫向磁場(chǎng)特性和非平衡磁場(chǎng)特性與磁控靶輝光放電的放電條件、瞬態(tài)特性相匹配，由電源的諧振特性與磁控靶的諧振特性相匹配，實(shí)現(xiàn)自觸發(fā)和形成高脈沖功率磁控放電；磁控靶前設(shè)置空心陰極結(jié)構(gòu)提高自觸發(fā)等離子體的初始密度和放電功率密度，實(shí)現(xiàn)高脈沖功率磁控放電；與現(xiàn)有高脈沖功率磁控放電方法相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)放電系統(tǒng)和電源要求低，工作可靠，從而實(shí)現(xiàn)更高工作效率和可靠性的放電方法。
文檔編號(hào)H01J37/34GK102254778SQ20101030141
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2010年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者牟宗信, 牟曉東, 王春, 董闖, 賈莉, 郝勝智 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)