一种实现高功率脉冲和大电流磁控溅射镀膜功能的电路设备及控制方法技术

本发明专利技术涉及一种实现高功率脉冲和大电流磁控溅射镀膜功能的电路设备及控制方法。本设备采用大功率半导体开关管，通过控制这些半导体功率器件的开通与断开状态来改变直流磁控溅射电源的串联放电方式，实现脉冲放电和电压的放大。从而在磁控溅射镀膜机上实现电压幅值、脉冲宽度可以任意设置输出的高功率脉冲溅射镀膜，也可以在不改变主电路接线的情况下实现多个直流电源同步大电流磁控溅射镀膜。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及。本设备采用大功率半导体开关管，通过控制这些半导体功率器件的开通与断开状态来改变直流磁控溅射电源的串联放电方式，实现脉冲放电和电压的放大。从而在磁控溅射镀膜机上实现电压幅值、脉冲宽度可以任意设置输出的高功率脉冲溅射镀膜，也可以在不改变主电路接线的情况下实现多个直流电源同步大电流磁控溅射镀膜。【专利说明】
本专利技术属于真空镀膜技术中磁控溅射电源设备，具体涉及一种实现高功率脉冲和大电流磁控溅射功能的电路设备及控制方法。。
技术介绍
自从20世纪70年代磁控溅射技术诞生以来，目前已经成为真空镀膜行业中应用最广并正在不断发展的镀膜技术之一，在装饰行业、半导体工业和制造业逐步得到了广泛应用。要实现溅射，其外部条件应有符合一定真空度的密闭容器，其次要有激发离子和电子的电场，它由加在靶材和真空室外壁(或两个靶材间)的电源提供。所以磁控溅射装置一般由溅射电源、真空机组、工作气体控制器、真空室和真空仪表等几部分组成。它利用外加磁场来约束离子按一定的轨道运行去溅射靶材的方法。它能有效克服阴极溅射速率低和电子撞击使基片温度升高的致命弱点。其原理是利用与电场互相垂直的磁场，电子以轮摆线的形式沿靶表面向垂直于电场、磁场平面的方向前进。电子运动被束缚在一定空间内，从而大大减小电子在真空容器壁上的复合损耗。这样的正交电磁场可以有效地将电子的运动路程限制在溅射靶面附近，从而显著地延长了电子的运动路程，增加了同工作气体分子的碰撞几率，提高了电子的电离效率，因而使等离子体密度加大，致使磁控溅射速率数量级的提高。由于电子每经过一次碰撞损失一部分能量，经过多次碰撞后，丧失了能量进入离阴极靶面(在直流电源溅射中，因电源负极接至靶上，故称靶为阴极靶)较远的弱电区，最后达到阳极时已经是能量消耗殆尽的低能电子，也就不会使基片过热，因此基片的温度可大大降低。同时高密度等离子体被磁场束缚在靶面附近，这样电离产生的正离子能十分有效地轰击靶面，而基片又可免受等离子体的轰击，因而基片的温度又可以降低。此外工作气压降低至零点几帕，减少了对溅射出来的原子或分子的碰撞，因而提高了沉积率，这样可以获得更高的效率和靶材利用率。其优点是可以在较低工作气压条件下有较高速率沉积。传统的直流二极磁控溅射镀膜技术溅射电压较低，一般约为几百伏，溅射产生的金属大多数以原子状态存在，可控性较差，沉积薄膜的质量和性能较难于优化，离化率低和等离子体分布不均匀，膜层附着力不够强等。但由于磁控溅射具有应用于工业化生产的潜在优势，激发了人们研究克服磁控溅射技术弱势的热情。近年来，磁控溅射技术得到广泛关注和快速发展，推出了一系列新型等离子体磁控溅射技术。高功率脉冲磁控溅射技术就是其中一种。磁控溅射技术广泛应用于薄膜制备领域，近几年来国外发展了高功率脉冲磁控溅射技术，它是利用较高的脉冲峰值功率和较低的脉冲占空比来产生高溅射金属离化率的一种磁控溅射技术。由于脉冲时间短，其平均功率不高，因此不会对阴极靶材产生过高的热负荷。它的峰值功率是普通磁控溅射功率的100倍以上，金属离子离化率可以达到70%以上。进行反应溅射时，不容易出现靶面中毒现象，离化的粒子具有高能量，这些将对控制膜层的质量，优化膜层的结构是非常有利的。高功率脉冲磁控溅射技术作为一种新型的磁控溅射镀膜技术，但目前国内有关文献相对较少，特别是专门的高功率脉冲溅射电源方面上的研究基本上是空白。同时由于因为高功率脉冲电源也可以应用于其它行业，对这些行业也将产生深远的影响，比如高功率激光、电磁辐射、生化清洗、消毒灭菌以及其它潜在的应用领域。因此，电路设备将产生巨大的社会效益和经济效益。本专利技术开展高功率脉冲磁控溅射电源技术的研究及实现，将目前磁控溅射直流电压电源通过本电路设备连接起来实现高功率脉冲溅射镀膜，也可以实现常规电压下多机并联输出大电流镀膜运行。这也必将大大进一步推进磁控溅射技术在先进材料加工行业的深度发展。
技术实现思路
针对上述情况，本专利技术的目的是设计一种能应用常规恒压控制方式输出的直流磁控溅射电源，通过本电路装置及控制方法实现高功率脉冲溅射镀膜或者大电流常规磁控溅射镀膜。高功率脉冲溅射镀膜技术与常规磁控溅射镀膜技术一样，设备包括:溅射电源、磁控靶、真空室及其机组。特殊的地方在于溅射电源输出波形要求，以及磁控靶与真空室间的绝缘击穿电压要高于输出脉冲幅值的2倍以上，直流镀膜电源内部是采用恒压控制方法，输出级与电网的绝缘电压要达到5000V以上。由于高功率脉冲磁控溅射时负载的特殊性，其波形一般是分为两个阶段的复合脉冲，第一阶段是高压激发阶段，时间在数微秒或几十微秒内，其大小与工作气压有关，电流大小主要决定于气体离子，第二阶段的电压幅值为第一阶段电压需的1/4 一 1/2，其电流取决于靶材质和功率。不同材料之间溅射时存在较大差异，说明二次电子的产生和诱捕对电压一电流一时间特征的影响较大。所以溅射电源是关键设备，要求输出电压高、峰值功率大、输出占空比及波形可调；需要有效解决溅射电源与气压、靶材之间的匹配问题，使得放电能够稳定进行。当然溅射电压波形也有其它形状。本专利技术的一种实现高功率脉冲和大电流磁控溅射功能的电路设备是一种实现高功率脉冲和大电流磁控溅射变结构控`制电路及控制装置，包括两个以上单元主电路1、控制电路4.1及过流保护检测电路5、溅射负载靶6，其中，各个单元主电路相互串联，按左右顺序依次连接； 所述单元主电路包括I个常规恒压控制的直流磁控溅射电源1.6，I个快恢复二极管1.9，2个全控型快速功率半导体开关管，2个全控型功率半导体开关管驱动电路1.2，2个高隔离电压等级驱动供电电路1.1，2个光纤控制信号发射及接收装置1.11，以及RC吸收电路 1.10 ； 所述2个全控型快速功率半导体开关管分为上全控型快速功率半导体开关管1.3和下全控型快速功率半导体开关管1.7 ； 所述2个驱动供电电路1.1分别连接到2个全控型功率半导体开关管驱动电路1.2 ；其中I个全控型功率半导体开关管驱动电路与上全控型快速功率半导体开关管1.3组成一个回路；上全控型快速功率半导体开关管1.3 一端连接快恢复二极管1.9，一端连接下全控型快速功率半导体开关管1.7 ;下全控型快速功率半导体开关管1.7 一端连接直流磁控溅射电源1.6，一端与另I个全控型功率半导体开关管驱动电路1.2组成回路；RC吸收电路1.10与上全控型快速功率半导体开关管1.3并联；直流磁控溅射电源1.6通过串联输出电阻1.13及电线分布寄生电感1.14连接到快恢复二极管1.9 ;2个全控型功率半导体开关管驱动电路1.2分别通过连接光纤控制信号发射及接收装置1.11与控制电路4.1连接；所述RC吸收电路1.10与上全控型快速功率半导体开关管1.3并联。所述每个单元主电路留有四个接线端子，按上左、上右、下左、下右的顺序，分别为①-④。所述单元主电路的个数，是根据直流磁控溅射电源输出电压的大小以及所需脉冲幅值的大小确定，一般确定2至5个单元主电路连接，溅射脉冲的幅值为200V-2500V，脉冲电流峰值50A-300A，脉冲宽度最小为5微秒，重复频率最高达200kHz。所述电路设备按上左、上右、下左、下右的顺序，分别设有A、B、C、D四个端口。所述全控型快本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：饶益花，陈文光，
申请(专利权)人：南华大学，饶益花，
类型：发明
国别省市：