一种实现多模式输出磁控溅射镀膜电源电路及控制方法技术

本发明专利技术涉及一种实现多模式输出磁控溅射镀膜电源电路及控制方法。采用全控型快速功率半导体开关和数字微处理器控制技术，通过控制这些半导体功率器件按照不同的工作时序，来实现直流溅射、单向脉冲溅射、双向对称中频溅射及双向不对称中频溅射等四种模式输出功能，在同一台设备上完成不同溅射镀膜工艺。时序控制和镀膜电源输出工艺参数设定通过软件实现。

【技术实现步骤摘要】
一种实现多模式输出磁控溅射镀膜电源电路及控制方法
本专利技术属于真空镀膜技术中磁控溅射电源设备，具体涉及一种可实现直流溅射、单向脉冲溅射、双向对称中频溅射及双向不对称中频溅射等四种模式输出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。溅射镀膜是指利用具有一定能量的粒子轰击靶材，使靶材原子或分子从固体表面溅射，在基片上沉积形成薄膜的过程。磁控溅射是在辉光放电的两极之间引入磁场，电子受电场加速作用的同时受到磁场的束缚作用，运动轨迹成摆线，增加了电子和带电粒子以及气体分子（一般为氩气）相碰撞的几率，提高了气体的离化率，降低了工作气压，更容易使靶原子逸出靶材飞向基板形成薄膜，并向工件内部扩散，在物体表面获得各种特殊的物理层或结构，它是一种新型的改善物体表面的技术。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镀膜电源、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。根据系统所用电源，磁控溅射可分为直流溅射、射频溅射、脉冲溅射和中频溅射。它们适用不同条件下的膜层制备。直流溅射适合金属膜溅射，使用单靶，但用直流反应溅射制备介电材料和绝缘材料的反应溅射沉积过程中，会在靶表面覆盖上一层绝缘层；导致靶面正电荷累积，进而发生击穿形成弧光放电，并造成大颗粒靶材刻蚀形成低能量的“液滴”粒子附于薄膜中，造成薄膜结构缺陷，且靶表面覆盖的连续氧化物膜的存在导致直流反应溅射速率较低，并造成溅射过程的“滞回”现象。有效解决此类问题的办法是采用射频电源和脉冲电源。但射频电源结构复杂，受制造器件限制，设备昂贵，输出功率不大。脉冲电源因为价格合理，具有良好的用户可操作性，目前成为磁控溅射镀膜研究及应用领域的热点。脉冲溅射可分为双向脉冲和单向脉冲溅射，应用较多的是对称的双极性脉冲，俗称中频溅射，使用双靶，一个周期分正电压和负电压两段。在负电压段，电源溅射靶材，正电压段，引入电子中和靶面累积的正电荷，并使表面清洁，裸露出金属表面。双向脉冲更多地用于双靶闭合式非平衡磁控溅射系统，系统中的两个磁控靶连接在同一脉冲电源上，两个靶交替充当阴极和阳极，阴极靶在溅射的同时，阳极靶完成表面清洁，如此周期性地变换磁控靶极性，就产生了“自清洁”效应。典型应用就是中频磁控溅射，工作频率一般为10～100kHz。但由于考虑到电源本身设计的可靠性、电磁兼容等问题，中频电源使用正弦波输出，在溅射时会损失较多的有效溅射时间，相应地降低了溅射速率。单向脉冲正电压段的电压为零，溅射发生在负电压段，由于零电压段靶表面电荷中和效果不明显。由于等离子体中的电子质量小，相对正离子具有更高的能动性，理论上讲，双向交流脉冲的正电压值只需要是负电压大小的10%～20%范围，就足以有效中和靶表面累积的正电荷，完成表面清洁，克服靶“中毒”现象，同时让负向脉冲电压足够高，接近高功率脉冲溅射方式。通过调整正电压段和负电压段的溅射幅值、脉冲频率和占空比，有效提升溅射速率的同时，保证更具高品质镀膜质量，应用前景非常乐观。目前在同一个真空镀膜装置上要实现这几种模式输出的磁控溅射工艺，必须更换、使用不同的电源来实现，使得设备体积庞大，场地面积要求高，不便于系统集成控制。
技术实现思路
针对上述情况，本专利技术提出一种可实现直流溅射、单向脉冲溅射、双向对称中频溅射及双向不对称中频溅射等四种模式输出功能的电路设备及控制方法。大大提高单一设备利用率、降低成本及场地面积，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。本专利技术的目的是设计一种电路设备，通过不同的控制策略方法，来实现直流磁控溅射、单向脉冲磁控溅射、双向对称（或等幅）中频磁控溅射及双向不对称磁控溅射等四种模式输出功能。包括直流稳压电源1、主电路2、数字控制器3、驱动器4及靶极01，如附图1所示，所述的主电路2在图中虚线框内，包括五个开关5、6、7、8和9，两个二极管10、11，一个高频电感12及两个容量较大的储能电容器13、14，开关Ⅰ5与开关Ⅱ6组成左桥臂，开关Ⅲ7与开关Ⅳ8组成右桥臂；储能电容器Ⅰ13与直流稳压电源1及左桥臂并联；储能电容器Ⅱ14与右桥臂并联；开关Ⅴ9与二极管Ⅰ10并联，并与高频电感12串联，然后连接在左桥臂及右桥臂上端；左右桥臂下端与储能电容器Ⅰ13负极、储能电容器Ⅱ14负极及直流电源负极连接在一起。二极管11阴极连接在高频电感左端，阳极连接在直流稳压电源1的负极。靶极01左边连接到开关管Ⅰ5与开关管Ⅱ6之间，右边连接到开关管Ⅲ7与开关管Ⅳ8之间。所述五个开关为全控型快速功率半导体开关。全控型快速功率半导体开关管是指能够在300kHz以内的控制信号控制下实现电流的开通及关断操作的半导体开关器件，可以是功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极型三极管(IGBT)或者电力三极管等，其额定参数根据输出电压、脉冲电流确定，可以并联使用。这些半导体功率器件能快速开关，导通损耗小。所述直流稳压电源1是恒压控制的、与供电电网高隔离的、常规镀膜应用的直流电源。所述二极管Ⅰ10、二极管Ⅱ11起到隔离及电流反向续流的作用，使用快速恢复二极管。所述数字控制器3是指任何一个带微处理器的数字控制系统，可以是数字处理器（DSP）、单片机（MCU）、嵌入式系统(ARM)或可编程逻辑控制器(PLC)等。所述驱动器4是指为全控型快速功率半导体开关导通提供驱动电流或关断时提供反向电流的电路，连接数字控制器与开关管，具有电气隔离、过流保护检测等功能。本专利技术的方法是采用全控型快速功率半导体开关和数字微处理器控制技术，通过控制这些半导体功率器件按照不同的工作时序，来实现直流溅射、单向脉冲溅射、双向对称中频溅射及双向不对称中频溅射等四种模式输出功能，在同一台设备上完成不同溅射镀膜工艺。时序控制和镀膜电源输出工艺参数设定通过软件实现。以附图1主电路使用为例，数字控制器3发出的开关信号及输出电压波形具有如附图2-5的一些特征。图中使用正逻辑，0为开关关断，1为开关导通。当要实现直流磁控溅射镀膜时，将开关5、8一直开通，6、7、9断开，同时将靶极的左边与整个电路真空室的外壳连接，通过直流稳压电源1本身的闭环控制实现恒压或恒流控制直流溅射模式工作。附图2为直流溅射模式下开关管控制信号及输出波形示意图。当要实现单向脉冲磁控溅射镀膜时，将开关5、8按一定（10千~300千赫兹）直流稳压电源1工作在恒压状态。附图3为单向脉冲溅射模式下开关管控制信号及输出波形示意图。当要实现双向等幅脉冲中频溅射功能时，将开关9一直导通，因此储能电容器Ⅱ14可以获得与储能电容器Ⅰ13相等的电压大小。开关5、8、6、7在一定（10千~300千赫兹）频率及占空比的信号驱动下而导通，其中开关6、7与开关5、8的相位相反，相差180度，此时双靶极的左边或右边互为阴阳极。附图4为双向等幅脉冲中频溅射控制信号及输出波形示意图。前面提到等离子体中的电子质量小，双向交流脉冲的正电压值只需负电压大小的10%～20%范围，就足以有效“清洁”把表面的正电荷，克服靶“中毒”现象，同时让负向脉冲电压足够高，将获本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现多模式输出磁控溅射镀膜电源电路，包括直流稳压电源（1）、主电路（2）、数字控制器（3）、驱动器（4）及靶极（01），所述的主电路包括五个开关、两个二极管、一个高频电感及两个储能电容器，其特征在于，开关Ⅰ（5）与开关Ⅱ（6）组成左桥臂，开关Ⅲ（7）与开关Ⅳ（8）组成右桥臂；储能电容器Ⅰ（13）与直流稳压电源（1）及左桥臂并联；储能电容器Ⅱ（14）与右桥臂并联；开关Ⅴ（9）与二极管Ⅰ（10）并联，并与高频电感（12）串联，然后连接在左桥臂及右桥臂上端；左右桥臂下端与储能电容器Ⅰ（13）负极、储能电容器Ⅱ（14）负极及直流电源负极连接在一起；二极管（11）阴极连接在高频电感左端，阳极连接在直流稳压电源（1）的负极；靶极（01）左边连接到开关管Ⅰ（5）与开关管Ⅱ（6）之间，右边连接到开关管Ⅲ（7）与开关管Ⅳ（8）之间。

【技术特征摘要】
1.一种实现多模式输出磁控溅射镀膜电源电路，包括直流稳压电源（1）、主电路（2）、数字控制器（3）、驱动器（4）及靶极（01），所述的主电路包括五个开关、两个二极管、一个高频电感及两个储能电容器，其特征在于，开关Ⅰ（5）与开关Ⅱ（6）组成左桥臂，开关Ⅲ（7）与开关Ⅳ（8）组成右桥臂；储能电容器Ⅰ（13）与直流稳压电源（1）及左桥臂并联；储能电容器Ⅱ（14）与右桥臂并联；开关Ⅴ（9）与二极管Ⅰ（10）并联，并与高频电感（12）串联，然后连接在左桥臂及右桥臂上端；左右桥臂下端与储能电容器Ⅰ（13）负极、储能电容器Ⅱ（14）负极及直流电源负极连接在一起；二极管（11）阴极连接在高频电感左端，阳极连接在直流稳压电源（1）的负极；靶极（01）左边连接到开关管Ⅰ（5）与开关管Ⅱ（6）之间，右边连接到开关管Ⅲ（7）与开关管Ⅳ（8）之间。2.根据权利要求1所述的一种实现多模式输出磁控溅射镀膜电源电路，其特征在于，所述五个开关为全控型快速功率半导体开关。3.根据权利要求2所述的一种实现多模式输出磁控溅射镀膜电源电路，其特征在于，所述全控型快速功率半导体开关是指能够在300KHz以内的控制信号控制下实现电流的开通及关断操作的半导体开关器件，为功率场效应管、绝缘栅双极型三极管或者电力三极管，额定参数根据输出电压、脉冲电流确定，并联使用。4.根据权利要求1所述的一种实现多模式输出磁控溅射镀膜电源电路，其特征在于，所述直流稳压电源1是恒压控制的、与供电电网高隔离的、常规镀膜应用的直流电源。5.根据权利要求1所述的一种实现多模式输出磁控溅射镀膜电源电路，其特征在于，所述二极管Ⅰ（10）、二极管Ⅱ（11）起隔离及电流反向续流的作用，使用快速恢复二极管。6.根据权利要求1所述的一种实现多模式输出磁控溅射镀膜电源电路，其特征在于，所述数字控制器（3）是指带微处理器的数字控制系统，为数字处理器、单片机、嵌入式系统或可编程逻辑控制器。7.根据权利要求1所述的一种实现多模式输出磁控溅射镀膜电源电路，其特征在于，所述驱动器（4）是指为全控型快速功率半导体开关导通提供驱动电流或关断时提供反向电流的电路，连接数字控制器与开关，具有电气隔离、过流保护检测功能。8.一种实现多模式输出磁控溅射镀膜电源电路的控制方法，采用全控型快速功率半导体开关和数字微处理器控制，通过控制功率器件按照不同的工作时序，来...

【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，陈文光，
类型：发明
国别省市：湖南;43