大功率脉冲溅射电源的研究

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1、西安理工大硕士学位论文磁控溅射能实现高速沉积、高质量的反应薄膜并且有效抑制靶材电弧放电。因此相当多的脉冲溅射电源频率应用在这个范围内t6,71。目前国内的成都普斯特电气有限责任公司研究的B系列脉冲偏压电源，北京实力源科技开发有限责任公司，上海惠丰化工研究所研制的脉冲偏压电源等在国内脉冲溅射电源领域有一定名气。但是这些产品一般均采用大功率开关管，并且输出频率可调范围小，设备大而重，整机效率低。这些缺点在很大程度中影响磁控溅射脉冲电源优点的发挥，抑制了高性能薄膜生成，缩小磁控溅射的应用范围，。1．3本文的研究意义和主要研究内容在

2、磁控溅射镀膜设备中，磁控溅射电源的性能是否良好严重影响着镀膜的质量。但随着科技水平的不断更新以及生产需求的扩大，使得对相关镀膜产品从质量和数量的需求逐渐增加。因此对镀膜设备具有高镀膜性，高可靠性和良好的稳定性的要求也越来越高。整个镀膜过程对电源主要是要求其能够提供稳定的高电压，大功率。并且频率的要求也为中频或者高频。这些要求都促进了磁控电源从传统的变压器，或可控硅电源迅速的发展过渡到高频大功率开关电源中，尤其是先进的软开关电力电子技术，能够实现电源开关化，减少电源损耗，提升电源效率t8]o并且随着电源更新发展还提升了磁控溅射

3、的效率，提高了镀膜质量，优化了工艺效果。同时使得电源产品趋于小型化，绿色化。这样方便产品生产，尤其为大规模镀膜生产创造了优越条件。本课题研究了磁控溅射技术对电源需求特性以及负载特性。并针对大功率、中高频的电源需求，结合一定指标研究设计了脉冲溅射电源。主要完成以下几方面工作：(1)根据相关磁控溅射原理以及输出工艺需求，进行负载特性分析及负载匹配的研究。并分析研究了电源在大功率和中高频率条件下的实现方案，确定了电源的整体指标。(2)分析移向全桥ZVZCSPWMDC／DC变换器的工作原理，确定直流电源部分的主电路参数。包括输入整流

4、滤波，输出整流滤波，DC／DC变换器，谐振元器件选择等。确定脉冲电源部分主电路拓扑并能实现三种脉冲输出。通过PSPICE仿真软件进行仿真验证。(3)通过对两种缓冲电路：RCD箝位电路和主动箝位电路的原理对比分析，仿真验证，最终选择性能良好并且无损的主动箝位电路。(4)设计采样、驱动及供电电路、灭弧保护电路等。(5)搭建实验平台，通过实验调试测得实验结果与仿真结果对比分析，验证所作研究和设计工作的正确性和可行性。脉冲溅射电源理论研究2脉冲溅射电源理论研究2．1磁控溅射离子镀工作原理作为磁控溅射工艺的一种，磁控溅射离子镀指的是在

5、基体上加入负偏压。它是一种把传统磁控溅射的优点和离子镀的优点结合在一起的新的镀膜方法。磁控溅射离子镀原理示意图如下图2．1所示，首先将镀膜室抽至真空，并充入惰性气体使真空度达到10。1Pa～10Pa。其次，在系统的阴极靶材背后加入强力磁电管。最后对磁控溅射靶材施加负相电压。这样通过高压作用，镀膜室中的心原子被电离成Ar+离子和电子。由于在强力磁电管的作用下电子在飞向基体的过程中受到垂直电场的作用，使电子在运动过程中发生偏转。并且以摆线的方式沿着靶材表面运动，电子在此过程中不断的和Ar原子发生碰撞，电离出大量的Ar+离子。而A

6、r+在高压电场作用下高速的轰击靶材表面，这样使靶材的原子吸收能量后，脱离原子晶格束缚并且逸出靶材表面，在动力作用下飞向基体并沉积形成薄膜。极图2—1磁控溅射离子镀电源原理示意图Fig．2-1Theprincipleofmagnetronsputtering靶电源的负极加在靶材上，主要作用是原子将其其沉积在基体上，起到沉积的作用。而偏压电源负极接在工件上，则刚好相反起到溅射作用。这样针对不同的工艺操作需求当需要溅射时，就需要提高工件负电位的相应幅值。当需要沉积时，就需要降低工件的负电位相应幅值。西安理工大硕士学位论文2．2磁控

7、溅射技术对电源的要求2．2．1电源输出需求作为当前较先进的磁控溅射技术脉冲磁控溅射技术已经得到一定的发展，但是国内目前很多磁控溅射电源性能并不能满足镀件工艺的需求，而且其工作效率相对较低。所以，脉冲磁控溅射电源存在着广泛的市场和发展空间。由于脉冲磁控电源相对其他几种磁控电源来说，它的脉冲能在正半周期内有效中和负半周中靶面绝缘层表面的正电荷，因此可抑制溅射时的异常放电现象‘103。脉冲磁控溅射主要参数包括脉冲频率及占空比、溅射电压及电流等。脉冲频率通常在中频范围，其频率的下限保证靶面积聚的电荷形成的场强低于被击穿场强的临界值；

8、频率上限则是保证在稳定放电的前提下，沉积速率尽可能取较低的频率。对于占空比的选择，主要是保证溅射在正脉冲阶段时靶面积聚的电荷能够被完全中和的情况下，尽量提高占空比，以实现电源效率最大化川1。在实验过程中由于阴极靶面存在不清洁或有氧化物，致使在出现化合物异常辉光放电现象。这一现象将引起较大的