高功率脈沖磁控濺射電源的研制
高功率脈沖磁控濺射(HPPMS) 因其高離化率而得到廣泛關(guān)注。高壓大電流脈沖電源是實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的重要環(huán)節(jié)之一。本論文介紹了一種HPPMS 電源, 該電源由充電電源、斬波輸出兩部分組成, 給出了主電路框圖。分析了大電流對(duì)斬波開(kāi)關(guān)過(guò)電壓的影響, 采用RC 吸收和續(xù)流有效地抑制了電壓過(guò)沖, 用所研制的電源進(jìn)行HPPMS 鍍膜試驗(yàn), 結(jié)果表明電源運(yùn)行穩(wěn)定可靠, 制備的薄膜表面清潔、致密, 其平均表面粗糙度很低�？梢灶A(yù)見(jiàn)HPPMS 技術(shù)將會(huì)促進(jìn)鍍膜技術(shù)的發(fā)展。
磁控濺射技術(shù)廣泛用于薄膜制備領(lǐng)域, 可以制備工業(yè)上所需的超硬薄膜、耐腐蝕、耐磨擦薄膜、超導(dǎo)薄膜、磁性薄膜、光學(xué)薄膜以及各種具有特殊性能的膜。但傳統(tǒng)的磁控濺射技術(shù)濺射金屬大多以原子態(tài)存在, 金屬離化率低, 可控性差, 沉積薄膜的質(zhì)量和性能較難優(yōu)化。近年來(lái)發(fā)展的高功率磁控濺射技術(shù), 它的峰值功率可以比普通磁控濺射高兩個(gè)數(shù)量級(jí), 金屬離子離化率可達(dá)70%以上, 某種程度上, 高功率脈沖磁控濺射(HPPMS) 集中了傳統(tǒng)濺射和電弧的優(yōu)點(diǎn), 與現(xiàn)存的提高離化率的手段相比, 不需要新裝置, 只需在原有的系統(tǒng)上增加一臺(tái)脈沖電源[1- 2] 。
目前, HPPMS 電源的研制尚處于起步階段, 為此作者研制了峰值功率達(dá)300 kW 的HPPMS 電源,采用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT) 逆變技術(shù)、IGBT 斬波技術(shù)、具有高峰值功率、高效率、小型化等特點(diǎn)，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)于作者用所研制的電源進(jìn)行HPPMS 鍍膜試驗(yàn), 顯示了良好的特性。
1、電源研制
HPPMS 電源由充電電源、斬波輸出單元等組成, 具備連續(xù)可調(diào)的穩(wěn)壓、過(guò)流、過(guò)熱、打火保護(hù)功能。設(shè)計(jì)電源為恒壓模式, 脈沖峰值電壓為-500~-1500 V, 電流為10~ 200 A, 脈寬30~ 150 us, 頻率為10~ 400Hz。電源結(jié)構(gòu)如圖圖1 所示。直流電源在脈沖間歇期給電容充電, 在脈沖工作時(shí), 由電容Cs 向等離子體負(fù)載放電。
圖1 HPPMS 電源示意圖
1.1、充電電源
充電電源為負(fù)高壓電源, 采用全橋逆變技術(shù), 大大減小了電源體積、重量, 提高了效率。其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中的整流電路經(jīng)電容C1 濾波后得到直流電壓, 再由逆變器逆變成高頻交流方波。脈沖電壓逆變器的開(kāi)關(guān)頻率選在20 kHz 以減小磁性元件的體積, 避免噪聲污染等。逆變器輸出經(jīng)高頻變壓器隔離并變換成適當(dāng)?shù)慕涣麟妷? 再經(jīng)過(guò)整流和濾波變成所需要的直流電壓。本設(shè)計(jì)充電電源的輸出功率為10 kW, 輸出- 500~ - 1500 V/ 6 A。關(guān)頻率為20 kHz, 最大占空比為0.8。初次級(jí)絕緣電壓等級(jí)為10 kV。主變壓器變比為1：3。
圖2 充電電源典型結(jié)構(gòu)
1.2、斬波回路
斬波部分是將直流電壓通過(guò)斬波電路變成頻率和脈寬均可調(diào)的脈沖。斬波部分結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。斬波電路使用IGBT 作為開(kāi)關(guān)串聯(lián)在回路中, 通過(guò)信號(hào)發(fā)生器觸發(fā)IGBT 來(lái)調(diào)節(jié)脈寬和頻率。在信號(hào)發(fā)生器輸出電平為高時(shí), IGBT 導(dǎo)通, 電容C 上的電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)IGBT、電感L 、電阻R 加在磁控靶上,濺射靶開(kāi)始工作。主脈沖發(fā)生器電平為低時(shí), IGBT關(guān)斷, 濺射靶停止工作, 電感儲(chǔ)存的能量通過(guò)續(xù)流二級(jí)管D 釋放。
圖3 斬波電路結(jié)構(gòu)圖
磁控濺射在實(shí)際應(yīng)用中容易發(fā)生打火現(xiàn)象, 電源必須設(shè)置短路打火保護(hù)裝置。通過(guò)傳感器檢測(cè)斬波脈沖電流峰值信號(hào), 控制器判斷電流大于保護(hù)值,則直接使信號(hào)發(fā)生器輸出低電平, 關(guān)斷IGBT, 待打火消失后再重新工作。同時(shí)使用電感、電容限流, 以抑制起弧時(shí)的快速增長(zhǎng)的大電流對(duì)電源的沖擊。并采用RsCs 吸收電路防止過(guò)電壓。緩沖電容Cs 的電容取值由下式可得[3]
式中, Ip是集電極電流峰值。Vmax是IGBT 關(guān)斷時(shí)允許的集電極電壓峰值, 取最大工作工作電壓的1.4倍; tf 集電極峰值電流從最大降到0 的時(shí)間。得Cs為0.5 uF。Rs 應(yīng)使Cs 在最小導(dǎo)通時(shí)間ton 內(nèi)放電至所充電荷的5% , 則有t on(min) = 3RsCs, 則得Rs=13 歐 , 考慮Rs 過(guò)大, 吸收效果不好, 最終選取為5歐。另針對(duì)電源的特性, 對(duì)多臺(tái)電容串并聯(lián)構(gòu)成儲(chǔ)能單元的支路安裝了電阻均壓器。
2、電源調(diào)試
用本文研制的脈沖電源在直徑5 cm 的圓形磁控濺射靶上進(jìn)行了調(diào)試。圖4 為在Ar 氣壓在0.5Pa、峰值電壓1000 V、頻率50Hz、脈寬100 us 下磁控放電的電壓和電流波形, 可以看出, 脈沖電流波形中剛開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生的呈尖峰狀的一段電流波形為峰值電流, 隨后的電流波形較平緩。剛開(kāi)始時(shí)的峰值電流取決于初始?xì)鈮? 表明氣體離子占有主導(dǎo)地位; 隨后的電流值取決于放電功率和靶材料性質(zhì), 表明和自濺射發(fā)生了緊密聯(lián)系。
圖4 氣壓0.5 Pa 峰值電壓1 kV 的電壓流波形
圖5 是0.4 Pa 氣壓、不同峰值電壓下的放電電壓和電流的波形, 電壓分別為700, 800, 1000, 1200,1400 V。結(jié)果顯示, 隨電壓的升高, 輸出電流峰值增加, 寬度變寬。這是因?yàn)殡S電壓的增加, 擊穿點(diǎn)火容易, 離化百分比高, 離子量呈幾何增加, 所以電流增加, 寬度變寬[2] 。圖6 是1000 V 峰值電壓、不同氣壓下的放電電壓和電流的波形。氣壓分別為0.4,0.6, 0.8 Pa。結(jié)果顯示, 隨氣壓的升高, 輸出電流峰值呈幾何增加, 寬度變寬。
圖5 不同峰值電壓下電壓和電流波形
圖6 峰值電壓1000 V 不同氣壓下的電壓和電流波形
圖7 是HPPMS 放電制備的Ti 膜, 可以看出, 制備的薄膜表面清潔, 致密, 其平均表面粗糙度很低,無(wú)陰極弧制備的薄膜中那樣的大顆粒存在。
圖7 HPPMS 制備的Ti 膜
3、結(jié)論
本文研制了一臺(tái)HPPMS 電源, 給出了電源框架圖和主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖, 分析了主電路中一些關(guān)鍵技術(shù)。采用RC 吸收和續(xù)流二極管保護(hù)IGBT, 具有穩(wěn)定可靠、快速響應(yīng)、高峰值功率、重復(fù)工作頻率的特點(diǎn)。鍍膜試驗(yàn)結(jié)果表明, 該電源工作穩(wěn)定可靠,制備的薄膜表面整潔、光滑, 大顆粒很少�？梢灶A(yù)見(jiàn)HPPMS 技術(shù)將會(huì)促進(jìn)鍍膜技術(shù)的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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