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
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】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
【技术领域】
[0001]本发明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。。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。[0006]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。本发明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。
【发明内容】
[0007]针对上述情况，本发明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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]本发明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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]所述全控型快速功率半导体开关管的耐压等级是直流磁控溅射直流电源的2-3倍，可以是功率场效应管(MOSFET)或者绝缘栅双极型三极管(IGBT)，其额定参数根据直流磁控溅射直流电源输出电压、脉冲电流确定，下全控型快速功率半导体开关管1.7内部包含I个同等参数的反并联体二极管1.8。2个全控型快速功率半导体开关管可以并联使用。
[0014]所述快恢复二极管1.9起到将相邻两个直流磁控溅射电源输出隔离的功能。
[0015]所述过流保护检测电路5包括霍尔电流传感器以及保护参数电路，设置在溅射负载靶6低电压处。可以单独设计电路。
[0016]所述全控型功率半导体开关管的驱动电路1.2必须为每个半导体开关管提供有源驱动功率。对驱动电路有如下要求:满足一定的驱动电流，无振荡现象；驱动能力要一致，驱动电压或电流在上升或下降斜率要尽量一致；信号时延要尽量一致；驱动电路本身供电要独立，具有满足要求的隔离绝缘强度；具有开关管及驱动信号状态检测反馈电路。完成这样的功能可以是专用驱动电路或中功率开关管。
[0017]驱动供电电路的功能:由于各半导体开关管在电路中处于不同电位，各单元供电电源要提供足够的功率和电压，并有缺电保护措施。每个开关管驱动供电回路要独立，且相互间要满足5000伏的绝缘电压等级，否则高压会从供电回路击穿低端的开关管，严重影响设备可靠性。一般需要三个电压:正负15V以及5V。
[0018]光纤控制信号发射及接收装置的功能是实现数字控制器与功率半导体开关管的信号或状态的传递，实现不同电位间电路间的隔离控制。主要包括光纤发射头、光纤和光纤接收头。光纤可以是单模光纤或者多模光纤。
[0019]为便于设备的连接，每个单元主电路在左右留有四个接线端子(①-④)。各个单元左右顺次连接。
[0020]本发明的方法是采用现代电力电子大功率半导体开关管、数字微处理器控制技术以及光纤技术。大功率半导体开关管，包含可快速导通和关断的大功率场效应管(MOSFET)、大功率绝缘栅双极型三极管(IGBT)，同时配合超快恢复二极管(FRD)的单向导电性及反向高隔离电压能力。这些半导体功率器件能快速开关，导通损耗小。通过控制这些半导体功率器件的开通与断开状态来改变目前市场上广泛使用的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。
[0021]具体控制方法是:通过控制电路选择直流磁控溅射电源串联的半导体开关管的个数以及开关的时间长短，来实现输出电压幅值能满足上述要求的复合波形及重复频率。修改触发信号实现不同重复频率、不同占空比脉冲溅射。不同的开关管电位不一样，所以开关管驱动供电使用耐高压的隔离供电技术和光纤隔离驱动技术。
[0022]本发明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的控制方法，具体为:通过控制电路实现脉冲溅射镀膜或者磁控溅射镀膜两种工作模式的变换，控制电路可以是任何一个带微处理器的系统，比如数字信号处理器(DSP)、单片机、计算机、嵌入式系统和可编程逻辑控制器(PLC)等等。控制电路的功能包括两种工作模式的设定，脉冲溅射时序控制及镀膜工艺参数设定，时序控制和工艺参数设定通过软件编程的方法实现。
[0023]在控制信号不同时分别实现高功率脉冲和大电流磁控溅射两种模式。但无论何种工作模式，单元主电路的上全控型功率半导体开关管和下全控型功率半导体开关管不能同时导通工作，以免造成直流磁控溅射电源输出电路短路而烧坏。
[0024]当单元主电路的下全控型功率半导体开关管断开时，将溅射负载靶6接在电路设备的C、D间，并将C点接真空室的外壳。通过控制单元主电路上全控型功率半导体开关管的开通与关断，实现高功率脉冲溅射工作模式，脉冲幅值由直流磁控溅射电源1.6输出电压及开通的由上全控型功率半导体开关管开通的数量确定，脉冲的重复频率及占空比由控制电路 4.1 发出的控制信号(1.111) (2.111) (3.111) (1.112) (2.112) (3.112)决定。其中控制信号(1.111) (2.111) (3.111)的地位是等同的。
[0025]以图4三个单元主电路串联设备装置使用为例，数字控制器(4.1)发出的功率半导体开关管的开关信号及输出电压波形具有如附图6-11的一些特征。实现脉冲溅射工作，有如下方式，几个上全控型功率半导体开关管同步脉冲工作导通，产生脉冲；或者任意一个导通，其它几个随后导通，然后全部关断；或者任意两个导通，其它几个随后导通，然后全部关断；或者全部导通，随后一个关断，然后全部关断；或者全部导通，随后两个关断，然后全部关断；或者一个一直导通，其余几个间隙导通工作。
[0026]当单元主电路的下全控型功率半导体开关管开通且上全控型功率半导体开关管断开时，将溅射负载靶6接在`电路设备的A、C间，并将A端接地。此时所有的直流磁控溅射电源处于并机工作状态，每个电源输出电压大小一致，靶负载上的电流相加，实现大电流并机直流磁控溅射工作模式。见说明书附图5。
[0027]本发明的一种利用多个常规恒压控制直流电压溅射电路设备，通过该电路设备的连接及控制，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。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1 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示意图；
图2单元主电路模块示意图；
图3三级单元主电路模块连接示意图；
图4高功率脉冲磁控溅射工作模式接线示意图；
图5大电流并机直流磁控溅射工作模式接线示意图；
图6-图11高功率脉冲磁控溅射六种方式的控制信号及输出波形示意图；
图12由IGBT设计三级电路设备装置；图13由MOSFET设计的五级电路设备装置。
【具体实施方式】
[0029]实施例1:一种实现高功率脉冲和大电流磁控溅射功能的电路及控制装置，溅射脉冲参数:幅值为200V-2500V，脉冲电流峰值200A-300A，脉冲宽度最小为10微秒，重复频率不高于100kHz。开关管使用绝缘栅双极性三极管(IGBT)，型号为英飞凌公司生产的1600V/60A的IHW30N160R2，使用5个并联使用；快恢复二极管使用IXYS公司生产的DSEI2xl01-12A ；IGBT驱动电路的核心部件为M57962A，驱动供电回路为高隔离绝缘电压的工频变压器，将交流220V降压成双18V，然后经稳压电路变成直流正5V、正15V和负15V供驱动电路使用。光纤发射及接收头使用安华高的HFBR1521Z和HFBR2521Z。数字控制器使用STM32和触摸屏设计。高功率脉冲和大电流磁控溅射两种工作模式，以及脉冲波形等所有参数都可以设置。
[0030]整个设备采用三级单元主电路连接起来。详细见见附图12示意图。使用的直流磁控溅射电源输出参数为100-1000V/50A，使用高频逆变技术，电压可以连续调节，后级滤波电容容量约为2200微法，内部主变压器初次级间的绝缘电压隔离强度大于I万伏。数字控制器发出的信号经过光纤发射头后，分别送给驱动电路的接收头，然后控制IGBT开关。
[0031]实施例2:—种实现高功率脉冲和大电流磁控溅射功能的电路及控制装置，溅射脉冲参数:幅值为300V-2500V，脉冲电流峰值50A-200A，脉冲宽度最小为5微秒，重复频率不高于200kHz。开关管使用绝缘栅场效应管(MOSFET)，型号为IXYS公司生产的1200V/36A的IXFN36N100，使用6个并联使用；快恢复二极管使用IXYS公司生产的DSEI2xl01_12A ；MOSFET驱动电路的核心部件为高速三极管，驱动供电回路为高隔离绝缘电压的高频变压器，将交流220V经反激变换器变成直流正5V、正15V和负15V供驱动电路使用。光纤发射及接收头使用安华高的HFBR1414Z和HFBR2412Z。数字控制器使用美国德州仪器公司生产的DSP控制器28335和触摸屏设计。高功率脉冲和大电流磁控溅射两种工作模式，以及脉冲波形等所有参数都可以设置。数字控制器发出的信号经过光纤发射头后，分别送给驱动电路的接收头，然后控制MOSFET开关。
[0032]整个设备采用五 级单元主电路连接起来。详细见附图13示意图。使用的直流磁控溅射电源输出参数为100-500V/30A，使用高频逆变技术，电压可以连续调节，后级滤波电容容量约为2000微法，内部主变压器初次级间的绝缘电压隔离强度大于I万伏。因为使用MOSFET做开关管，脉冲重复频率可以达到200kHz。
【权利要求】
1.一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，包括多个单元主电路(I)、控制电路(4.1)、过流保护检测电路(5)、溅射负载靶(6)，其特征在于: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)、1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) —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)—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组成回路；直流磁控溅射电源(1.6)通过串联输出电阻(1.13)及电感(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。
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于:所述单元主电路的个数，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，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。
3.根据权利要求1所述的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，其特征在于:所述全控型快速功率半导体开关管可以是功率场效应管或者绝缘栅双极型三极管，下全控型快速功率半导体开关管(1.7)内部可包含I个同等参数的反并联体二极管(1.8) ο
4.根据权利要求1所述的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，其特征在于:所述快恢复二极管(1.9)起将相邻两个直流磁控溅射电源输出隔离的功倉泛。
5.根据权利要求1所述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，其特征在于: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。
6.根据权利要求1所述的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，其特征在于:所述过流保护检测电路(5)包括霍尔电流传感器以及保护参数电路，设置在溅射负载靶(6)低电压处。
7.根据权利要求1所述的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，其特征在于:所述溅射负载靶(6)接在电路设备的C、D端口间或A、C端口间。
8.一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的控制方法，其特征在于:控制方法具体为:通过控制电路(4.1)实现脉冲溅射镀膜或者磁控溅射镀膜两种工作模式的变换，控制电路是任何一个带微处理器的系统，控制电路的功能包括两种工作模式的设定，即脉冲溅射时序控制及镀膜工艺参数设定，时序控制和工艺参数设定通过软件编程的方法实现； 当单元主电路的下全控型功率半导体开关管断开时，将溅射负载靶(6)接在电路设备的C、D间，并将C点接真空室的外壳，通过控制单元主电路上全控型功率半导体开关管的开通与关断，实现脉冲溅射工作模式，脉冲幅值由直流磁控溅射电源输出电压及开通的上全控型功率半导体开关管开通的数量确定； 当单元主电路的下全控型功率半导体开关管开通且上全控型功率半导体开关管断开时，将溅射负载靶(6)接在电路设备的A、C间，并将A端接地，此时所有的直流磁控溅射电源处于并机工作状态，每个电源输出电压大小一致，溅射负载靶上负载的电流相加，实现磁控溅射工作模式。
9.根据权利要求8所述的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的控制方法，其特征在于:所述上全控型功率半导体开关管和下全控型功率半导体开关管不能同时导通工作，以免造成直流磁控溅射电源输出电路短路而烧坏。
10.根据权利要求8所述的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的控制方法，其特征在于:实现脉冲磁控溅射工作，具体有如下方式:几个上全控型功率半导体开关管同步脉冲工作导通，产生脉冲；或者任意一个导通，其它几个随后导通，然后全部关断；或者任意两个导通，其它几个随后导通，然后全部关断；或者全部导通，随后一个关断，然后全部关断；或者 全部导通，随后两个关断，然后全部关断；或者一个一直导通，其余几个间隙导通工作。
【文档编号】H02M1/092GK103774111SQ201410063876
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2014年2月25日
【发明者】饶益花, 陈文光 申请人:南华大学, 饶益花