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1、调制中频高功率脉冲磁控溅射电源的设计X摘要：文章指出叠加直流的HPPMS技术有直流部分占空比较高和 不可控制2大缺点，在做沉积薄膜实验时无法提供溅射所需的高功率, 导致空比较低，溅射效率稍低的高功率脉冲产生。为了解决问题，需 要研制一台电源，并且该电源可以用中频调制脉冲高功率磁控溅射 MPP (Modulated pulsed power),普通高功率磁控溅射系统中的直流 部分可以用低频脉冲来代替，尽可能减少低频脉冲占空比并且可以确 保充分预处理，使高功率脉冲占空比尽可能最大，提高系统的溅射效 率。关键词：调制脉冲；磁控溅射；HPPMS ； MPP近年来，国外发展了 HPPMS (高功率脉冲磁
2、控溅射)技术，并且 这种技术具备一定高的离化率和很好的薄膜性能，因此在技术领域有 一定的影响力。HPPMS的峰值功率高出普通磁控溅射达2个数量级； 溅射材料离化率更是高达70%以上。高功率脉冲磁控溅射技术目前在 国内外得到了广泛的研究。本文将在HPPMS的基础上设计研制一台基 于MPP (Modulatedpulsed power)技术的脉冲电源，其特点是：要 想使低频脉冲与高功率脉冲的占空比得到合理的控制必须采用起弧 预处理低频脉冲来实现，通过变化电路参数使低频脉冲所占比例最小 而高频脉冲最大，并确保可以有效的预处理，从而使电源在实际应用 中的工作效率达到最大程度的提高。1国内的研究现状现如
3、今，我国现有的高功率脉冲磁控溅射电源有2种：（1）没有 经过预处理，而使高功率脉冲信号加为负载。不足之处在于：难以使 高功率脉冲信号的峰值功率保持不变，电流过大可能会引起起弧打火;（2）用并联或者串联的形式来设计脉冲电源叠加直流。其缺点是低 频脉冲占空大和预处理时间长，但是由于很难控制直流部分占空比， 出现高功率脉冲部分（对于金属离子的沉积具有实际意义的部分）占 空比相对较低的情况，导致沉积效率在实际应用中也不理想。2研究现状分析目前在国内外广泛的研究是高功率脉冲磁控溅射技术，这种技术 具有溅射粒子离化率和能够沉积出非常致密且具有高性能薄膜两大 优点。成为目前在制造耐蚀和光学及其他各种功能薄膜
4、领域内一种新 的突破的。目前研制高功率脉冲磁控溅射电源的系统的技术有以下2种：（1） 具有高功率脉冲峰值和没有预处理两大特点的高功率脉冲电源，这种 电源容易产生起弧打火现象并且电压和功率很难被控制；（2）具有不 易起弧打火和有稳定的工作状态直流形式的脉冲叠加电源，这种电源 靠直流部分来实现起弧预处理，但由于高功率脉冲占空比少于直流部 分的占空比，金属离子沉积效率在应用中也相对比较低。3电源的设计与研究调制脉冲电源包括主电路、控制电路和保护电路。主电路包括高 电压（低频预处理部分）和低电压（磁控溅射部分）2部分，电路结 构的模式是直流串联。控制电路可以通过CD4098改变脉冲信号脉宽、 峰值密度
5、、峰值电流。保护电路有主回路和功率器件2部分。3.1主电路设计思路主电路脉冲信号的产生分为2个步骤：（1）初始脉冲信号的产生靠驱动电路和斩波电路来完成；（2） 在控制电路中，改变脉冲信号脉宽可以依据调整电路参数来控制电路, 从而2个不同宽矩形脉冲信号，单稳态触发电路（如CD4098）参数 控制电路继续调整，2个宽矩形脉冲被转换为2个尖峰值高频触发脉 冲信号。3. 2控制电路设计初始脉冲、预放电脉冲和主放电脉冲信号的产生需要靠不断改变 电路内部的参数来控制电路，从而使各部分脉冲信号可控，控制电路 有主放电脉冲宽度设定电路、主放电IGBT保护电路、振荡及预放电 脉宽控制电路、电流反馈保护电路等4种
6、。3.2. 1振荡电路振荡电路被用来控制初始脉冲频率和预放电时长、主放电脉冲频 率和脉宽、预放电脉冲频率和脉宽，通过各个CD4098振荡电路对信 号进行控制。3. 2. 2主放电脉冲宽度的设定CD4098为下降沿触发需要和预放电脉冲后的主放电脉冲相连接, 初始脉冲振荡电路中设定预放电脉冲宽度的触发器10脚（Q端）连接11脚下降并沿触发端，预放电脉冲结束时，10脚（Q端）为下降 沿。3. 2.3电流反馈保护电路为了与设定基准值进行比较，因此用从信号采集电路采集到的反 馈信号输入比较器LF353的负输入端得出结论，如果表征电路中电流 的反馈信号过小，那么比较器的输出端输出就会为正，电路关断，起 到
7、了一定的保护作用。电位器的设定值与比较器输出的电位值相比, 如果反馈电位超过设定电位，比较器输出电位就会翻转，再通过 CD4098翻转来达到输出负电位，起到保护作用。3. 2. 4预放电IGBT驱动电路设计需要把预放电IGBT电路合成到控制电路板上是因为预放电设计 电流值较低（110A）,电压高达甚至超过500V。通过采用光耦对2 部分的电路来进行物理隔离可以使驱动电路与控制电路互不影响和 干扰。当光耦后面的电路出现短路或者过流时不会对前级电路造成影 响，从而也方便对电路的检查，同时也提高了电路的安全与稳定性能。 为了保险起见，采用2个IGBT并联的方式以减少单管的电流，并采 用高压光容和其他
8、的方式一起进行保护。3. 2. 5主放电IGBT驱动电路设计本文采用的是基于M57962L的IGBT驱动电路保护设计方案，光 电耦合是一种可以用来实现输入与输出的电气隔离的方法，由于隔离 电压高达2500V,因此需要配置短路/过载保护电路，以确保IGBT工 作更加可靠。电源输出脉冲信号的波形如图1所示，从该波形可以得出输出脉冲信号是符合设计思路的，说明此设计电路具有一定的可靠性。4结语本文设计了一台中频调制脉冲高功率磁控溅射电源，对电源输出 参数进行了测试。通过上述研究得出如下结论：（1）该电源保护功能 具有一定的合理性和完善性，与设计要求相符合。各项实验指标显示 与设计指标相接近。在电源设计的调试过程中，为了有效地提高电源 的可靠性和稳定性，需要通过不断测试来调整和改善电源的输入输出 的信号波形；（2）本电源与普通高功率脉冲磁控溅射电源一样的地方 是本电源预处理部分直流是用调制脉冲来替代，在完成溅射实验的过 程中，低频脉冲和高功率脉冲的占空比需要通过调整电路的参数控制, 提高高功率脉冲的所占比例并且可以有效的预处理，从而提高了溅射 效率。