高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）是在磁控靶上施加低占空比的高功率脉冲以产生高能量、高密度等离子体的一种新型磁控溅射技术。该技术具有较高的溅射材料离化率,其制备的薄膜可产生高致密度、高结合力以及高综合力学性能。然而HiPIMS存在沉积速率低、放电不稳定、溅射材料离化率不一等缺陷,严重阻碍了其在工业界的推广和应用。本工作从基本物理原理入手,借鉴空心阴极原理,提出筒内放电的空心阴极效应强化的新型阴极结构,采用粒子网格/蒙特卡洛方法验证了空心阴极强化效应;为提高沉积效率,提出等离子体束流的电磁控制方案,建立了等离子体输运特性仿真模型并发现电磁控制可以有效减少等离子体损耗,控制涂层组分,提高沉积速率;建立了空心阴极效应耦合的时间分辨整体模型,实现了对N₂/Ar/Cr复杂体系下HiPIMS放电过程解析,发现了不同放电粒子的异步放电现象及其对演化曲线的作用形式。为了验证仿真模型的准确性,使用纳秒精度的时间分辨光谱仪对HiPIMS体系中多种典型离子进行追踪,得到的实验结果与仿真结果吻合。具体结论如下:1.空心阴极的引入可以增强放电效果,使HiPIMS放电过程强烈且稳定,等离子体密度达到10²⁰m^-3,比普通平面阴极高出一个量级。仿真结果表明空心阴极效应使溅射材料离化率和离子返回溅射概率分别提高3.0%和4.3%。在磁场的作用下,离子比原子的扩散距离更远,可以实现高比例的离子的沉积。2.引入外扩型电磁线圈对等离子体输运路径进行控制,仿真结果表明有效的电磁控制可以调节等离子体放电状态,控制等离子体束流的聚焦程度,减少离子扩散损耗,并将离子沉积速率大幅提高。不同种类的离子呈现出不同的分布状态,并可根据需求通过控制磁场实现涂层均匀性以及沉积粒子的可选择性。3.建立空心阴极效应耦合的整体模型对N₂/Ar/Cr的复杂体系进行HiPIMS放电过程解析,发现体系中不同粒子(Ar,Ar⁺,Ar^m,Ar^H,N,N₂,N₂^m,N₂⁺,N⁺,Cr,Cr⁺,Cr²⁺等)依次出现,呈现异步放电现象,并分析得出了气体主导的放电顺序取决于相应的反应能,而金属主导的放电顺序取决于相应物理过程的先后的规律。各粒子的演化曲线在不同的放电时刻表现出多个拐点,分别对应于激发、溅射、电离、扩散等不同的放电过程。