一種實現(xiàn)多模式輸出磁控濺射鍍膜電源電路及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于真空鍍膜技術(shù)中磁控濺射電源設(shè)備，具體涉及一種可實現(xiàn)直流濺射、單向脈沖濺射、雙向?qū)ΨQ中頻濺射及雙向不對稱中頻濺射等四種模式輸出功能的電路設(shè)備及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自從20世紀70年代磁控濺射技術(shù)誕生以來，目前已經(jīng)成為真空鍍膜行業(yè)中應(yīng)用最廣并正在不斷發(fā)展的鍍膜技術(shù)之一。
[0003]濺射鍍膜是指利用具有一定能量的粒子轟擊靶材，使靶材原子或分子從固體表面濺射，在基片上沉積形成薄膜的過程。磁控濺射是在輝光放電的兩極之間引入磁場，電子受電場加速作用的同時受到磁場的束縛作用，運動軌跡成擺線，增加了電子和帶電粒子以及氣體分子(一般為氬氣)相碰撞的幾率，提高了氣體的離化率，降低了工作氣壓，更容易使靶原子逸出靶材飛向基板形成薄膜，并向工件內(nèi)部擴散，在物體表面獲得各種特殊的物理層或結(jié)構(gòu)，它是一種新型的改善物體表面的技術(shù)。
[0004]要實現(xiàn)濺射，其外部條件應(yīng)有符合一定真空度的密閉容器，其次要有激發(fā)離子和電子的電場，它由加在靶材和真空室外壁(或兩個靶材間)的電源提供。所以磁控濺射裝置一般由濺射鍍膜電源、真空機組、工作氣體控制器、真空室和真空儀表等幾部分組成。
[0005]根據(jù)系統(tǒng)所用電源，磁控濺射可分為直流濺射、射頻濺射、脈沖濺射和中頻濺射。它們適用不同條件下的膜層制備。直流濺射適合金屬膜濺射，使用單靶，但用直流反應(yīng)濺射制備介電材料和絕緣材料的反應(yīng)濺射沉積過程中，會在靶表面覆蓋上一層絕緣層；導(dǎo)致靶面正電荷累積，進而發(fā)生擊穿形成弧光放電，并造成大顆粒靶材刻蝕形成低能量的“液滴”粒子附于薄膜中，造成薄膜結(jié)構(gòu)缺陷，且靶表面覆蓋的連續(xù)氧化物膜的存在導(dǎo)致直流反應(yīng)濺射速率較低，并造成濺射過程的“滯回”現(xiàn)象。有效解決此類問題的辦法是采用射頻電源和脈沖電源。但射頻電源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受制造器件限制，設(shè)備昂貴，輸出功率不大。脈沖電源因為價格合理，具有良好的用戶可操作性，目前成為磁控濺射鍍膜研宄及應(yīng)用領(lǐng)域的熱點。
[0006]脈沖濺射可分為雙向脈沖和單向脈沖濺射，應(yīng)用較多的是對稱的雙極性脈沖，俗稱中頻濺射，使用雙靶，一個周期分正電壓和負電壓兩段。在負電壓段，電源濺射靶材，正電壓段，引入電子中和靶面累積的正電荷，并使表面清潔，裸露出金屬表面。雙向脈沖更多地用于雙靶閉合式非平衡磁控濺射系統(tǒng)，系統(tǒng)中的兩個磁控靶連接在同一脈沖電源上，兩個靶交替充當陰極和陽極，陰極靶在濺射的同時，陽極靶完成表面清潔，如此周期性地變換磁控靶極性，就產(chǎn)生了“自清潔”效應(yīng)。典型應(yīng)用就是中頻磁控濺射，工作頻率一般為10?10kHz0但由于考慮到電源本身設(shè)計的可靠性、電磁兼容等問題，中頻電源使用正弦波輸出，在濺射時會損失較多的有效濺射時間，相應(yīng)地降低了濺射速率。單向脈沖正電壓段的電壓為零，濺射發(fā)生在負電壓段，由于零電壓段靶表面電荷中和效果不明顯。
[0007]由于等離子體中的電子質(zhì)量小，相對正離子具有更高的能動性，理論上講，雙向交流脈沖的正電壓值只需要是負電壓大小的10%?20%范圍，就足以有效中和靶表面累積的正電荷，完成表面清潔，克服靶“中毒”現(xiàn)象，同時讓負向脈沖電壓足夠高，接近高功率脈沖濺射方式。通過調(diào)整正電壓段和負電壓段的濺射幅值、脈沖頻率和占空比，有效提升濺射速率的同時，保證更具高品質(zhì)鍍膜質(zhì)量，應(yīng)用前景非常樂觀。
[0008]目前在同一個真空鍍膜裝置上要實現(xiàn)這幾種模式輸出的磁控濺射工藝，必須更換、使用不同的電源來實現(xiàn)，使得設(shè)備體積龐大，場地面積要求高，不便于系統(tǒng)集成控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對上述情況，本發(fā)明提出一種可實現(xiàn)直流濺射、單向脈沖濺射、雙向?qū)ΨQ中頻濺射及雙向不對稱中頻濺射等四種模式輸出功能的電路設(shè)備及控制方法。大大提高單一設(shè)備利用率、降低成本及場地面積，進一步推進磁控濺射技術(shù)在先進材料加工行業(yè)的深度發(fā)展。
[0010]本發(fā)明的目的是設(shè)計一種電路設(shè)備，通過不同的控制策略方法，來實現(xiàn)直流磁控濺射、單向脈沖磁控濺射、雙向?qū)ΨQ(或等幅)中頻磁控濺射及雙向不對稱磁控濺射等四種模式輸出功能。包括直流穩(wěn)壓電源1、主電路2、數(shù)字控制器3、驅(qū)動器4及靶極01，如附圖1所示，
所述的主電路2在圖中虛線框內(nèi)，包括五個開關(guān)5、6、7、8和9，兩個二極管10、11，一個高頻電感12及兩個容量較大的儲能電容器13、14，
開關(guān)I 5與開關(guān)II 6組成左橋臂，開關(guān)III 7與開關(guān)IV 8組成右橋臂；儲能電容器I 13與直流穩(wěn)壓電源I及左橋臂并聯(lián)；儲能電容器II 14與右橋臂并聯(lián)；開關(guān)V 9與二極管I 10并聯(lián)，并與高頻電感12串聯(lián)，然后連接在左橋臂及右橋臂上端；左右橋臂下端與儲能電容器I 13負極、儲能電容器II 14負極及直流電源負極連接在一起。二極管11陰極連接在高頻電感左端，陽極連接在直流穩(wěn)壓電源I的負極。靶極01左邊連接到開關(guān)管I 5與開關(guān)管II 6之間，右邊連接到開關(guān)管III 7與開關(guān)管IV 8之間。
[0011 ] 所述五個開關(guān)為全控型快速功率半導(dǎo)體開關(guān)。
[0012]全控型快速功率半導(dǎo)體開關(guān)管是指能夠在300kHz以內(nèi)的控制信號控制下實現(xiàn)電流的開通及關(guān)斷操作的半導(dǎo)體開關(guān)器件，可以是功率場效應(yīng)管(MOSFET)、絕緣柵雙極型三極管(IGBT)或者電力三極管等，其額定參數(shù)根據(jù)輸出電壓、脈沖電流確定，可以并聯(lián)使用。這些半導(dǎo)體功率器件能快速開關(guān)，導(dǎo)通損耗小。
[0013]所述直流穩(wěn)壓電源I是恒壓控制的、與供電電網(wǎng)高隔離的、常規(guī)鍍膜應(yīng)用的直流電源。
[0014]所述二極管I 10、二極管II 11起到隔離及電流反向續(xù)流的作用，使用快速恢復(fù)二極管。
[0015]所述數(shù)字控制器3是指任何一個帶微處理器的數(shù)字控制系統(tǒng)，可以是數(shù)字處理器(DSP)、單片機(MCU)、嵌入式系統(tǒng)(ARM)或可編程邏輯控制器(PLC)等。
[0016]所述驅(qū)動器4是指為全控型快速功率半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通提供驅(qū)動電流或關(guān)斷時提供反向電流的電路，連接數(shù)字控制器與開關(guān)管，具有電氣隔離、過流保護檢測等功能。
[0017]本發(fā)明的方法是采用全控型快速功率半導(dǎo)體開關(guān)和數(shù)字微處理器控制技術(shù)，通過控制這些半導(dǎo)體功率器件按照不同的工作時序，來實現(xiàn)直流濺射、單向脈沖濺射、雙向?qū)ΨQ中頻濺射及雙向不對稱中頻濺射等四種模式輸出功能，在同一臺設(shè)備上完成不同濺射鍍膜工藝。時序控制和鍍膜電源輸出工藝參數(shù)設(shè)定通過軟件實現(xiàn)。
[0018]以附圖1主電路使用為例，數(shù)字控制器3發(fā)出的開關(guān)信號及輸出電壓波形具有如附圖2-5的一些特征。圖中使用正邏輯，O為開關(guān)關(guān)斷，I為開關(guān)導(dǎo)通。
[0019]當要實現(xiàn)直流磁控濺射鍍膜時，將開關(guān)5、8 —直開通，6、7、9斷開，同時將靶極的左邊與整個電路真空室的外殼連接，通過直流穩(wěn)壓電源I本身的閉環(huán)控制實現(xiàn)恒壓或恒流控制直流濺射模式工作。附圖2為直流濺射模式下開關(guān)管控制信號及輸出波形示意圖。
[0020]當要實現(xiàn)單向脈沖磁控濺射鍍膜時，將開關(guān)5、8按一定(10千~300千赫茲)直流穩(wěn)壓電源I工作在恒壓狀態(tài)。附圖3為單向脈沖濺射模式下開關(guān)管控制信號及輸出波形示意圖。
[0021]當要實現(xiàn)雙向等幅脈沖中頻濺射功能時，將開關(guān)9 一直導(dǎo)通，因此儲能電容器II 14可以獲得與儲能電容器I 13相等的電壓大小。開關(guān)5、8、6、7在一定(10千~300千赫茲)頻率及占空比的信號驅(qū)動下而導(dǎo)通，其中開關(guān)6、7與開關(guān)5、8的相位相反，相差180度，此時雙靶極的左邊或右邊互為陰陽極。附圖4為雙向等幅脈沖中頻濺射控制信號及輸出波形示意圖。
[0022]前面提到等離子體中的電子質(zhì)量小，雙向交流脈沖的正電壓值只需負電壓大小的10%?20%范圍，就足以有效“清潔”把表面的正電荷，克服靶“中毒”現(xiàn)象，同時讓負向脈沖電壓足夠高，將獲得高的濺射速率，通過調(diào)整正電壓段和負電壓段的濺射幅值、脈沖頻率和占空比，有效提升濺射速率的同時，保證更具高品質(zhì)鍍膜質(zhì)量。
[0023]開關(guān)9、二極管11、電感12及儲能電容II 14組成的高頻BUCK降壓電路，通過控制開關(guān)9的開關(guān)頻率及占空比就可以讓儲能電容II 14從直流電源I及儲能電容I 13這邊獲得一個電壓。
[0024]當要實現(xiàn)雙向不對稱脈沖濺射功能時，數(shù)字控制器3發(fā)出一定頻率的占空比、相位相反的兩路信號分別去驅(qū)動開關(guān)5、8及開關(guān)6、7。其中開關(guān)5、8導(dǎo)通時，靶極獲得負電壓段，進行陰極濺射，同時控制開關(guān)9的頻率fl、占空比Dl實現(xiàn)儲能電容II 14的充電電壓，電壓為負電壓值的10%?20%即可；而開關(guān)5、8關(guān)斷期間，開關(guān)9也關(guān)斷，開關(guān)6、7導(dǎo)通工作，此時靶極獲得正電壓，實現(xiàn)電子中和正電荷，防止弧放電現(xiàn)象影響膜層表面?？刂崎_關(guān)5、8及6、7它們的占空比及頻率就控制濺射輸出的電壓波形。附圖5為雙向不對稱脈沖濺射控制信號及輸出波形示意圖。
[0025]任何時候開關(guān)5、8組成的左橋臂和6、7組成的右橋臂不能同時開通，為了防止橋臂直通而形