高功率脉冲磁控溅射电源的研制
高功率脉冲磁控溅射(HPPMS) 因其高离化率而得到广泛关注。高压大电流脉冲电源是实现该技术的重要环节之一。本论文介绍了一种HPPMS 电源, 该电源由充电电源、斩波输出两部分组成, 给出了主电路框图。分析了大电流对斩波开关过电压的影响, 采用RC 吸收和续流有效地抑制了电压过冲, 用所研制的电源进行HPPMS 镀膜试验, 结果表明电源运行稳定可靠, 制备的薄膜表面清洁、致密, 其平均表面粗糙度很低。可以预见HPPMS 技术将会促进镀膜技术的发展。
磁控溅射技术广泛用于薄膜制备领域, 可以制备工业上所需的超硬薄膜、耐腐蚀、耐磨擦薄膜、超导薄膜、磁性薄膜、光学薄膜以及各种具有特殊性能的膜。但传统的磁控溅射技术溅射金属大多以原子态存在, 金属离化率低, 可控性差, 沉积薄膜的质量和性能较难优化。近年来发展的高功率磁控溅射技术, 它的峰值功率可以比普通磁控溅射高两个数量级, 金属离子离化率可达70%以上, 某种程度上, 高功率脉冲磁控溅射(HPPMS) 集中了传统溅射和电弧的优点, 与现存的提高离化率的手段相比, 不需要新装置, 只需在原有的系统上增加一台脉冲电源[1- 2] 。
目前, HPPMS 电源的研制尚处于起步阶段, 为此作者研制了峰值功率达300 kW 的HPPMS 电源,采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 逆变技术、IGBT 斩波技术、具有高峰值功率、高效率、小型化等特点，真空技术网(http://www.jnannai.com/)于作者用所研制的电源进行HPPMS 镀膜试验, 显示了良好的特性。
1、电源研制
HPPMS 电源由充电电源、斩波输出单元等组成, 具备连续可调的稳压、过流、过热、打火保护功能。设计电源为恒压模式, 脉冲峰值电压为-500~-1500 V, 电流为10~ 200 A, 脉宽30~ 150 us, 频率为10~ 400Hz。电源结构如图图1 所示。直流电源在脉冲间歇期给电容充电, 在脉冲工作时, 由电容Cs 向等离子体负载放电。
图1 HPPMS 电源示意图
1.1、充电电源
充电电源为负高压电源, 采用全桥逆变技术, 大大减小了电源体积、重量, 提高了效率。其典型结构如图2所示。图中的整流电路经电容C1 滤波后得到直流电压, 再由逆变器逆变成高频交流方波。脉冲电压逆变器的开关频率选在20 kHz 以减小磁性元件的体积, 避免噪声污染等。逆变器输出经高频变压器隔离并变换成适当的交流电压, 再经过整流和滤波变成所需要的直流电压。本设计充电电源的输出功率为10 kW, 输出- 500~ - 1500 V/ 6 A。关频率为20 kHz, 最大占空比为0.8。初次级绝缘电压等级为10 kV。主变压器变比为1：3。
图2 充电电源典型结构
1.2、斩波回路
斩波部分是将直流电压通过斩波电路变成频率和脉宽均可调的脉冲。斩波部分结构图如图3 所示。斩波电路使用IGBT 作为开关串联在回路中, 通过信号发生器触发IGBT 来调节脉宽和频率。在信号发生器输出电平为高时, IGBT 导通, 电容C 上的电压通过开关IGBT、电感L 、电阻R 加在磁控靶上,溅射靶开始工作。主脉冲发生器电平为低时, IGBT关断, 溅射靶停止工作, 电感储存的能量通过续流二级管D 释放。
图3 斩波电路结构图
磁控溅射在实际应用中容易发生打火现象, 电源必须设置短路打火保护装置。通过传感器检测斩波脉冲电流峰值信号, 控制器判断电流大于保护值,则直接使信号发生器输出低电平, 关断IGBT, 待打火消失后再重新工作。同时使用电感、电容限流, 以抑制起弧时的快速增长的大电流对电源的冲击。并采用RsCs 吸收电路防止过电压。缓冲电容Cs 的电容取值由下式可得[3]
式中, Ip是集电极电流峰值。Vmax是IGBT 关断时允许的集电极电压峰值, 取最大工作工作电压的1.4倍; tf 集电极峰值电流从最大降到0 的时间。得Cs为0.5 uF。Rs 应使Cs 在最小导通时间ton 内放电至所充电荷的5% , 则有t on(min) = 3RsCs, 则得Rs=13 欧 , 考虑Rs 过大, 吸收效果不好, 最终选取为5欧。另针对电源的特性, 对多台电容串并联构成储能单元的支路安装了电阻均压器。
2、电源调试
用本文研制的脉冲电源在直径5 cm 的圆形磁控溅射靶上进行了调试。图4 为在Ar 气压在0.5Pa、峰值电压1000 V、频率50Hz、脉宽100 us 下磁控放电的电压和电流波形, 可以看出, 脉冲电流波形中刚开始时产生的呈尖峰状的一段电流波形为峰值电流, 随后的电流波形较平缓。刚开始时的峰值电流取决于初始气压, 表明气体离子占有主导地位; 随后的电流值取决于放电功率和靶材料性质, 表明和自溅射发生了紧密联系。
图4 气压0.5 Pa 峰值电压1 kV 的电压流波形
图5 是0.4 Pa 气压、不同峰值电压下的放电电压和电流的波形, 电压分别为700, 800, 1000, 1200,1400 V。结果显示, 随电压的升高, 输出电流峰值增加, 宽度变宽。这是因为随电压的增加, 击穿点火容易, 离化百分比高, 离子量呈几何增加, 所以电流增加, 宽度变宽[2] 。图6 是1000 V 峰值电压、不同气压下的放电电压和电流的波形。气压分别为0.4,0.6, 0.8 Pa。结果显示, 随气压的升高, 输出电流峰值呈几何增加, 宽度变宽。
图5 不同峰值电压下电压和电流波形
图6 峰值电压1000 V 不同气压下的电压和电流波形
图7 是HPPMS 放电制备的Ti 膜, 可以看出, 制备的薄膜表面清洁, 致密, 其平均表面粗糙度很低,无阴极弧制备的薄膜中那样的大颗粒存在。
图7 HPPMS 制备的Ti 膜
3、结论
本文研制了一台HPPMS 电源, 给出了电源框架图和主电路拓扑结构图, 分析了主电路中一些关键技术。采用RC 吸收和续流二极管保护IGBT, 具有稳定可靠、快速响应、高峰值功率、重复工作频率的特点。镀膜试验结果表明, 该电源工作稳定可靠,制备的薄膜表面整洁、光滑, 大颗粒很少。可以预见HPPMS 技术将会促进镀膜技术的发展。
参考文献
[1] Ulf Helmersson, Martina Lattemann, Johan Bohlmark, et al. Thin Solid Films[J] , 2006, 513: 1-24
[2] 吴忠振, 田修波, 王泽明, 等. 真空科学与技术学报[J] , 2011, 31(4) : 459- 464
[3] 梁伟恩, 付翔, 杨军. 电子元器件应用[J] , 2010, 12 (6) : 40- 42
[4] Andr Andersa, Joakim Andersson, Arutiun Ehiasarian. Appl Phys[J] , 2007, 102: 113303
