調(diào)制中頻高功率脈沖磁控濺射電源的設(shè)計(jì)

張鳳曉　王浪平

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摘要：文章指出疊加直流的HPPMS技術(shù)有直流部分占空比較高和不可控制2大缺點(diǎn)，在做沉積薄膜實(shí)驗(yàn)時(shí)無法提供濺射所需的高功率，導(dǎo)致空比較低，濺射效率稍低的高功率脈沖產(chǎn)生。為了解決問題，需要研制一臺(tái)電源，并且該電源可以用中頻調(diào)制脈沖高功率磁控濺射MPP（Modulated pulsed power），普通高功率磁控濺射系統(tǒng)中的直流部分可以用低頻脈沖來代替，盡可能減少低頻脈沖占空比并且可以確保充分預(yù)處理，使高功率脈沖占空比盡可能最大，提高系統(tǒng)的濺射效率。

關(guān)鍵詞：調(diào)制脈沖；磁控濺射；HPPMS；MPP

近年來，國外發(fā)展了HPPMS（高功率脈沖磁控濺射）技術(shù)，并且這種技術(shù)具備一定高的離化率和很好的薄膜性能，因此在技術(shù)領(lǐng)域有一定的影響力。HPPMS的峰值功率高出普通磁控濺射達(dá)2個(gè)數(shù)量級(jí)；濺射材料離化率更是高達(dá)70%以上。高功率脈沖磁控濺射技術(shù)目前在國內(nèi)外得到了廣泛的研究。本文將在HPPMS的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)研制一臺(tái)基于MPP（Modulatedpulsed power）技術(shù)的脈沖電源，其特點(diǎn)是：要想使低頻脈沖與高功率脈沖的占空比得到合理的控制必須采用起弧預(yù)處理低頻脈沖來實(shí)現(xiàn)，通過變化電路參數(shù)使低頻脈沖所占比例最小而高頻脈沖最大，并確保可以有效的預(yù)處理，從而使電源在實(shí)際應(yīng)用中的工作效率達(dá)到最大程度的提高。

1國內(nèi)的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)如今，我國現(xiàn)有的高功率脈沖磁控濺射電源有2種：（1）沒有經(jīng)過預(yù)處理，而使高功率脈沖信號(hào)加為負(fù)載。不足之處在于：難以使高功率脈沖信號(hào)的峰值功率保持不變，電流過大可能會(huì)引起起弧打火；（2）用并聯(lián)或者串聯(lián)的形式來設(shè)計(jì)脈沖電源疊加直流。其缺點(diǎn)是低頻脈沖占空大和預(yù)處理時(shí)間長，但是由于很難控制直流部分占空比，出現(xiàn)高功率脈沖部分（對(duì)于金屬離子的沉積具有實(shí)際意義的部分）占空比相對(duì)較低的情況，導(dǎo)致沉積效率在實(shí)際應(yīng)用中也不理想。

2研究現(xiàn)狀分析

目前在國內(nèi)外廣泛的研究是高功率脈沖磁控濺射技術(shù)，這種技術(shù)具有濺射粒子離化率和能夠沉積出非常致密且具有高性能薄膜兩大優(yōu)點(diǎn)。成為目前在制造耐蝕和光學(xué)及其他各種功能薄膜領(lǐng)域內(nèi)一種新的突破的。

目前研制高功率脈沖磁控濺射電源的系統(tǒng)的技術(shù)有以下2種：（1）具有高功率脈沖峰值和沒有預(yù)處理兩大特點(diǎn)的高功率脈沖電源，這種電源容易產(chǎn)生起弧打火現(xiàn)象并且電壓和功率很難被控制；（2）具有不易起弧打火和有穩(wěn)定的工作狀態(tài)直流形式的脈沖疊加電源，這種電源靠直流部分來實(shí)現(xiàn)起弧預(yù)處理，但由于高功率脈沖占空比少于直流部分的占空比，金屬離子沉積效率在應(yīng)用中也相對(duì)比較低。

3電源的設(shè)計(jì)與研究

調(diào)制脈沖電源包括主電路、控制電路和保護(hù)電路。主電路包括高電壓（低頻預(yù)處理部分）和低電壓（磁控濺射部分）2部分，電路結(jié)構(gòu)的模式是直流串聯(lián)?？刂齐娐房梢酝ㄟ^CD4098改變脈沖信號(hào)脈寬、峰值密度、峰值電流。保護(hù)電路有主回路和功率器件2部分。

3.1主電路設(shè)計(jì)思路

主電路脈沖信號(hào)的產(chǎn)生分為2個(gè)步驟：

（1）初始脈沖信號(hào)的產(chǎn)生靠驅(qū)動(dòng)電路和斬波電路來完成；（2）在控制電路中，改變脈沖信號(hào)脈寬可以依據(jù)調(diào)整電路參數(shù)來控制電路，從而2個(gè)不同寬矩形脈沖信號(hào)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路（如CD4098）參數(shù)控制電路繼續(xù)調(diào)整，2個(gè)寬矩形脈沖被轉(zhuǎn)換為2個(gè)尖峰值高頻觸發(fā)脈沖信號(hào)。

3.2控制電路設(shè)計(jì)

初始脈沖、預(yù)放電脈沖和主放電脈沖信號(hào)的產(chǎn)生需要靠不斷改變電路內(nèi)部的參數(shù)來控制電路，從而使各部分脈沖信號(hào)可控，控制電路有主放電脈沖寬度設(shè)定電路、主放電IGBT保護(hù)電路、振蕩及預(yù)放電脈寬控制電路、電流反饋保護(hù)電路等4種。

3.2.1振蕩電路

振蕩電路被用來控制初始脈沖頻率和預(yù)放電時(shí)長、主放電脈沖頻率和脈寬、預(yù)放電脈沖頻率和脈寬，通過各個(gè)CD4098振蕩電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制。

3.2.2主放電脈沖寬度的設(shè)定

CD4098為下降沿觸發(fā)需要和預(yù)放電脈沖后的主放電脈沖相連接，初始脈沖振蕩電路中設(shè)定預(yù)放電脈沖寬度的觸發(fā)器10腳（Q端）連接11腳下降并沿觸發(fā)端，預(yù)放電脈沖結(jié)束時(shí)，10腳（Q端）為下降沿。

3.2.3電流反饋保護(hù)電路

為了與設(shè)定基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，因此用從信號(hào)采集電路采集到的反饋信號(hào)輸入比較器LF353的負(fù)輸入端得出結(jié)論，如果表征電路中電流的反饋信號(hào)過小，那么比較器的輸出端輸出就會(huì)為正，電路關(guān)斷，起到了一定的保護(hù)作用。電位器的設(shè)定值與比較器輸出的電位值相比，如果反饋電位超過設(shè)定電位，比較器輸出電位就會(huì)翻轉(zhuǎn)，再通過CD4098翻轉(zhuǎn)來達(dá)到輸出負(fù)電位，起到保護(hù)作用。

3.2.4預(yù)放電IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

需要把預(yù)放電IGBT電路合成到控制電路板上是因?yàn)轭A(yù)放電設(shè)計(jì)電流值較低（1～10A），電壓高達(dá)甚至超過500V。通過采用光耦對(duì)2部分的電路來進(jìn)行物理隔離可以使驅(qū)動(dòng)電路與控制電路互不影響和干擾。當(dāng)光耦后面的電路出現(xiàn)短路或者過流時(shí)不會(huì)對(duì)前級(jí)電路造成影響，從而也方便對(duì)電路的檢查，同時(shí)也提高了電路的安全與穩(wěn)定性能。為了保險(xiǎn)起見，采用2個(gè)IGBT并聯(lián)的方式以減少單管的電流，并采用高壓光容和其他的方式一起進(jìn)行保護(hù)。

3.2.5主放電IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本文采用的是基于M57962L的IGBT驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)設(shè)計(jì)方案，光電耦合是一種可以用來實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的電氣隔離的方法，由于隔離電壓高達(dá)2500V，因此需要配置短路/過載保護(hù)電路，以確保IGBT工作更加可靠。

電源輸出脈沖信號(hào)的波形如圖1所示，從該波形可以得出輸出脈沖信號(hào)是符合設(shè)計(jì)思路的，說明此設(shè)計(jì)電路具有一定的可靠性。

4結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)中頻調(diào)制脈沖高功率磁控濺射電源，對(duì)電源輸出參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。通過上述研究得出如下結(jié)論：（1）該電源保護(hù)功能具有一定的合理性和完善性，與設(shè)計(jì)要求相符合。各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)顯示與設(shè)計(jì)指標(biāo)相接近。在電源設(shè)計(jì)的調(diào)試過程中，為了有效地提高電源的可靠性和穩(wěn)定性，需要通過不斷測(cè)試來調(diào)整和改善電源的輸入輸出的信號(hào)波形；（2）本電源與普通高功率脈沖磁控濺射電源一樣的地方是本電源預(yù)處理部分直流是用調(diào)制脈沖來替代，在完成濺射實(shí)驗(yàn)的過程中，低頻脈沖和高功率脈沖的占空比需要通過調(diào)整電路的參數(shù)控制，提高高功率脈沖的所占比例并且可以有效的預(yù)處理，從而提高了濺射效率。