[發明專利]一種實現高功率脈沖和大電流磁控濺射鍍膜功能的電路設備及控制方法

有效

• 申請號: 201410063876.0
• 申請日: 2014-02-25
• 公開（公告）號: CN103774111A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 饒益花;陳文光
• 申請（專利權）人: 南華大學;饒益花
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/54;H02M1/092
• 代理公司: 湖南省國防科技工業局專利中心 43102
• 代理人: 馮青

技術領域

本發明屬于真空鍍膜技術中磁控濺射電源設備，具體涉及一種實現高功率脈沖和大電流磁控濺射功能的電路設備及控制方法。。

背景技術

自從20世紀70年代磁控濺射技術誕生以來，目前已經成為真空鍍膜行業中應用最廣并正在不斷發展的鍍膜技術之一，在裝飾行業、半導體工業和制造業逐步得到了廣泛應用。

要實現濺射，其外部條件應有符合一定真空度的密閉容器，其次要有激發離子和電子的電場，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。它利用外加磁場來約束離子按一定的軌道運行去濺射靶材的方法。它能有效克服陰極濺射速率低和電子撞擊使基片溫度升高的致命弱點。其原理是利用與電場互相垂直的磁場，電子以輪擺線的形式沿靶表面向垂直于電場、磁場平面的方向前進。電子運動被束縛在一定空間內，從而大大減小電子在真空容器壁上的復合損耗。這樣的正交電磁場可以有效地將電子的運動路程限制在濺射靶面附近，從而顯著地延長了電子的運動路程，增加了同工作氣體分子的碰撞幾率，提高了電子的電離效率，因而使等離子體密度加大，致使磁控濺射速率數量級的提高。由于電子每經過一次碰撞損失一部分能量，經過多次碰撞后，喪失了能量進入離陰極靶面（在直流電源濺射中，因電源負極接至靶上，故稱靶為陰極靶）較遠的弱電區，最后達到陽極時已經是能量消耗殆盡的低能電子，也就不會使基片過熱，因此基片的溫度可大大降低。同時高密度等離子體被磁場束縛在靶面附近，這樣電離產生的正離子能十分有效地轟擊靶面，而基片又可免受等離子體的轟擊，因而基片的溫度又可以降低。此外工作氣壓降低至零點幾帕，減少了對濺射出來的原子或分子的碰撞，因而提高了沉積率，這樣可以獲得更高的效率和靶材利用率。其優點是可以在較低工作氣壓條件下有較高速率沉積。

傳統的直流二極磁控濺射鍍膜技術濺射電壓較低，一般約為幾百伏，濺射產生的金屬大多數以原子狀態存在，可控性較差，沉積薄膜的質量和性能較難于優化，離化率低和等離子體分布不均勻，膜層附著力不夠強等。但由于磁控濺射具有應用于工業化生產的潛在優勢，激發了人們研究克服磁控濺射技術弱勢的熱情。

近年來，磁控濺射技術得到廣泛關注和快速發展，推出了一系列新型等離子體磁控濺射技術。高功率脈沖磁控濺射技術就是其中一種。磁控濺射技術廣泛應用于薄膜制備領域，近幾年來國外發展了高功率脈沖磁控濺射技術，它是利用較高的脈沖峰值功率和較低的脈沖占空比來產生高濺射金屬離化率的一種磁控濺射技術。由于脈沖時間短，其平均功率不高，因此不會對陰極靶材產生過高的熱負荷。它的峰值功率是普通磁控濺射功率的100倍以上，金屬離子離化率可以達到70%以上。進行反應濺射時，不容易出現靶面中毒現象，離化的粒子具有高能量，這些將對控制膜層的質量，優化膜層的結構是非常有利的。

高功率脈沖磁控濺射技術作為一種新型的磁控濺射鍍膜技術，但目前國內有關文獻相對較少，特別是專門的高功率脈沖濺射電源方面上的研究基本上是空白。同時由于因為高功率脈沖電源也可以應用于其它行業，對這些行業也將產生深遠的影響，比如高功率激光、電磁輻射、生化清洗、消毒滅菌以及其它潛在的應用領域。因此，電路設備將產生巨大的社會效益和經濟效益。本發明開展高功率脈沖磁控濺射電源技術的研究及實現，將目前磁控濺射直流電壓電源通過本電路設備連接起來實現高功率脈沖濺射鍍膜，也可以實現常規電壓下多機并聯輸出大電流鍍膜運行。這也必將大大進一步推進磁控濺射技術在先進材料加工行業的深度發展。

發明內容

針對上述情況，本發明的目的是設計一種能應用常規恒壓控制方式輸出的直流磁控濺射電源，通過本電路裝置及控制方法實現高功率脈沖濺射鍍膜或者大電流常規磁控濺射鍍膜。

高功率脈沖濺射鍍膜技術與常規磁控濺射鍍膜技術一樣，設備包括：濺射電源、磁控靶、真空室及其機組。特殊的地方在于濺射電源輸出波形要求，以及磁控靶與真空室間的絕緣擊穿電壓要高于輸出脈沖幅值的2倍以上，直流鍍膜電源內部是采用恒壓控制方法，輸出級與電網的絕緣電壓要達到5000V以上。