CN101824602B - 一种具有高启动电压的磁控溅射脉冲电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高启动电压的磁控溅射脉冲电源，包括依次连接的DC输入、高压启动模块、脉冲发生模块和续流模块，续流模块与磁控溅射装置中的基片和靶材连接；高压启动模块与异常检测模块连接，高压启动模块用于为磁控溅射工艺提供一个1500V的启动电压；脉冲发生模块用于产生脉冲偏压；续流模块用于解决脉冲磁控溅射时由于等离子负载的特殊性质而导致输出电压产生较大震荡的问题；所述的异常检测模块用于检测等离子体负载电流的变化，根据负载电流的变化情况在发生异常的情况下对磁控溅射工艺进行二次高压启动。本发明的电源结构能够提高磁控溅射工程中等离子体的离化率、增强薄膜与基体结合强度和保证沉积工艺的优点。

Description

一种具有高启动电压的磁控溅射脉冲电源

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，涉及一种具有高启动电压的磁控溅射脉冲电源。

背景技术

磁控溅射技术在薄膜制备领域的应用十分广泛，可以制备工业上所需要的各种薄膜，如超硬薄膜、耐腐蚀耐摩擦薄膜、超导薄膜、磁性薄膜、光学薄膜，以及各种具有特殊电学性能的薄膜等。

传统直流偏压磁控溅射工艺因偏压较低而使得镀膜过程中离子轰击的能力相对较若，镀层致密性相对较差，腐蚀介质的不断渗入将引起镀层与基体之间的界面腐蚀，从而影响到镀层的长期抗腐蚀性能，而且在薄膜溅射过程中容易出现靶中毒和“打弧”现象，导致了溅射沉积的不稳定，缩短了靶材的使用寿命，并且低能量的“液滴”会沉积到薄膜表面，导致沉积薄膜结构缺陷和组分变异。

脉冲磁控溅射是采用矩形波电压的脉冲电源代替传统直流电源进行磁控溅射沉积。脉冲偏压较直流偏压具有许多优点，脉冲峰值电压的提高可加大工件表面附近的等离子体密度，增强对工件表面的溅射清洗作用和镀制过程中对镀层原子的轰击作用，最终提高镀层的致密性，改善镀层的抗腐蚀能力。同时，由于脉冲间歇的存在，降低了沉积温度，可有效避免工件表面电荷积累而造成的靶中毒和“打弧”现象，从而消除了打火飞溅产物在工件表面的异常沉积；但是，在实际的磁控溅射工艺中，开始阶段一般需要很高的偏压对工件进行离子轰击溅射，其目的之一在于清洁预镀表面，其次在于能迅速升高基体的温度，以保证真正溅射开始时基体就能处在一个合适的平衡的温度上；同时，在脉冲偏压作用下，磁控溅射等离子体负载表现出容阻并联的复杂特性，比传统的直流偏压下的等离子体负载电路模型中多出一个电容，使得等离子体负载上的电压产生了震荡现象，并且随着电压值的升高震荡越来越剧烈；此外，磁控溅射工艺进行时经常会出现异常而使得溅射过程终止，重新启动困难，上述问题的解决直接影响到磁控溅射工艺的正常进行以及成膜的质量和效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高启动电压的磁控溅射脉冲电源，解决了现有技术中存在启动电压不足、等离子体负载电压震荡，且在异常停机后重新启动复杂的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种具有高启动电压的磁控溅射脉冲电源，包括依次连接的DC输入、高压启动模块、脉冲发生模块和续流模块，续流模块与磁控溅射装置中的基片和靶材连接，高压启动模块还与异常检测模块连接，异常检测模块与设置在基片和靶材之间的磁控溅射的等离子体连接，高压启动模块用于产生磁控溅射启动时所需的脉冲高压；脉冲发生模块用于产生脉冲偏压；续流模块用于将高压脉冲施加到磁控溅射装置中的基片和靶材上；异常检测模块用于检测该等离子体负载电流的变化，控制二次高压启动。

本发明的磁控溅射脉冲电源，启动电压为1500V或更高的磁控溅射脉冲电源，具有更高启动电压、能够消除等离子体负载电压震荡现象，且在异常情况下具备重新启动功能，保证了磁控溅射工艺的正常进行以及成膜质量和效率。

附图说明

图1是本发明的磁控溅射脉冲电源的结构示意图；

图2是图1中磁控溅射脉冲电源的常规操作波形示意图。

图中，1.DC输入，2.高压启动模块，3.脉冲发生模块，4.续流模块，5.异常检测模块，6.基片，7.靶材，8.等离子体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，磁控溅射装置包括设置在阳极的基片6和设置在阴极的靶材7，在基片6和靶材7之间设置的是磁控溅射的等离子体8。

如图1，本发明具有高启动电压的磁控溅射脉冲电源的结构是，包括依次连接的DC输入1、高压启动模块2、脉冲发生模块3和续流模块4，续流模块4与磁控溅射装置中的基片6和靶材7连接，续流模块4用于将高压脉冲加在磁控溅射装置中的基片6和靶材7上；高压启动模块2与异常检测模块5连接，异常检测模块5与设置在基片6和靶材7之间的磁控溅射等离子体8连接，异常检测模块5用于检测该等离子体8的负载电流的变化。

上述的DC输入1采用高频DC/DC逆变电路，主要实现恒流、恒压、恒功率控制，用于给后级的高压启动模块2和脉冲发生模块3提供直流电压，电压的范围可以根据需要进行大范围(200V-800V)的调节，使之适合不同材料磁控溅射时薄膜沉积所需要的电压。同时，因为采用了高频开关电源，使得DC输入环节的电压精度得到了有效保障。

高压启动模块2的电路是：包括储能电感L_s、升压开关管Q、电容C₁、滤波电容C₂、假负载R和二极管D组成，DC输入1通过储能电感L_s和升压开关管Q串联连接，电容C₁并联在升压开关管Q上，滤波电容C₂和假负载R并联后与二极管D串联连接，滤波电容C₂和假负载R及二极管D构成的电路与升压开关管Q并联连接；

高压启动模块2以Boost电路为主体，来产生磁控溅射启动时所需的脉冲高压，电源启动时，通过Boost电路中的储能电感L_s和升压开关管Q的通断，来调整该脉冲高压峰值使之适应磁控溅射工艺启动时的放电电压范围，储能电感L_s的选择决定了脉冲高压的峰值，而通过调整升压开关管Q的占空比则可以实现不同材料基片磁控溅射时的启动电压。当磁控溅射工艺正常启动后，Boost电路中升压开关管Q截止。

脉冲发生模块3的电路是：包括开关管Q₁、Q₂、Q₃和Q₄，开关管Q₁和开关管Q₂串联连接，开关管Q₃和开关管Q₄串联连接，开关管Q₁和Q₃的输入端与二极管D连接，开关管Q₂和Q₄的输出端与DC输入1连接；

脉冲发生模块3采用全桥逆变电路，该全桥逆变电路可分别工作在单向脉冲和双向对称脉冲两种模式下，通过对脉冲频率、占空比参数的调节，来产生磁控溅射工艺启动后、正常工作时加在阳极基片6和阴极靶材7之间的脉冲偏压波形，并充分发挥脉冲电源脉冲间歇可以降低沉积温度和脉冲电压、提高等离子体离化率的优势，使磁控溅射工艺中所沉积的薄膜性能更佳。

续流模块4的电路是；包括并联的电感L₁和L₂，在电感L₁上反向并联有续流二极管D₁，在电感L₂上反向并联有续流二极管D₂，脉冲发生模块3中的开关管Q₁的输出端通过电感L₁与基片6连接，脉冲发生模块3中的开关管Q₃的输出端通过电感L₂与靶材7连接。

续流模块4由两组电感L₁、L₂及各自的反并续流二极管D₁、D₂组成，通过二极管的续流作用来消除使用脉冲电源时等离子体负载上出现的电压、电流震荡现象。既解决了由于震荡引起脉冲发生模块中开关器件烧坏的问题；又使电压电流震荡得到消除，改善了磁控溅射工艺中成膜的质量和效率。

如图1所示，本发明装置为了防止双向脉冲电源在开关管开通瞬间电流上升过快而导致的器件烧坏问题的发生，在脉冲发生模块和等离子体负载之间串入电感L₁、L₂起到限流的作用，解决了开关管开通瞬间电流上升过快的问题。但是在脉冲偏压下，由于鞘层电容的存在使得等离子体负载具备一般电容器的能量储放功能，能够与上述限流电感相互作用，当各项元器件参数匹配合适时，就会发生LC谐振现象，此时会出现等离子体负载上电压和电流的震荡现象。这不仅会有可能导致开关器件烧坏；而且电压和电流的震荡也使得磁控溅射工艺成膜的质量和效率大大降低。因此，在限流电感L₁、L₂上分别反并了一个续流二极管组成续流模块。以双向对称脉冲模式为例，当脉冲发生模块的输出脉冲开始换向时，限流电感L₁上的电流开始减小，由于限流电感L₁上感应出来的电势使得续流二极管D₁承受正向偏压，此时流过续流二极管D₁的电流迅速增大而流过等离子体负载的电流迅速减小至零，从而破坏了限流电感L₁和等离子体负载中容性成分发生谐振的条件，有效的避免了LC谐振的发生。由此可见，续流二极管D₁、D₂的加入不仅消除了电压的震荡现象，而且在很大程度上提高了对称脉冲电压的换向时间。

异常检测模块5的电路是：包括电流传感器和异常信号产生单元；电流传感器设置于等离子体8中，通过异常信号产生单元和高压启动模块2连接；当电流传感器检测到等离子体8的负载电流异常时，异常信号产生单元产生一个异常信号用来封锁脉冲发生模块3；此后，电流传感器将对离子体8的负载电流进行定期检测，直到电流传感器检测等离子体8的负载电流正常后，再由异常信号产生单元发出一个重新启动信号给高压启动模块2，对脉冲电源二次高压启动，使得磁控溅射工艺正常进行。

异常检测模块5为一电流检测电路，在实际的磁控溅射工艺进行过程中，有时会因启辉气体的加入出现异常情况，使磁控腔内的温度等溅射参数发生改变，影响成膜质量。异常检测模块5能够通过检测等离子体负载电流的变化，快速的采取相应的限流保护措施。在条件允许的情况下，该模块传递一个启动信号给高压启动模块，对磁控溅射脉冲电源进行二次高压启动，增强了磁控溅射工艺的连续性和磁控溅射脉冲电源的稳定性。

本发明装置工作时，直流电源DC经由高压启动模块、脉冲发生模块和续流模块连接到磁控溅射等离子体处理装置上，该磁控溅射等离子体处理装置为一传统的磁控溅射装置，主要包括阳极基片6和阴极靶材7，将高压脉冲加在磁控溅射装置上，促使稀薄气体异常辉光放电产生的等离子体在电场的作用下，对阴极靶材表面进行轰击，把靶材表面的分子、原子、离子及电子等溅射出来，被溅射出来的粒子带有一定的动能，沿一定的方向射向基片表面，在基片表面形成镀层。

如图2，是本发明的磁控溅射脉冲电源的常规操作波形图，整个磁控溅射工艺的操作可分为高压启动和正常工作两个阶段，具体包括：

a)时间段1：电源启动，DC/DC模块正常工作，高压启动模块2和脉冲发生模块3的开关管处于关断状态，此时相当于DC/DC模块带滤波电容C₂和假负载R工作；

b)时间段2：高压启动模块2的升压开关管Q按照一定的占空比来提升储能电感L_s上的电压，为磁控溅射工艺的高压启动提供所需的储能，此时相当于DC/DC模块带储能电感L_s、滤波电容C₂和假负载R一起工作；

c)时间段3：当储能电感L_s上的储能满足启动电压要求时，脉冲发生模块的一组对角管Q₁、Q₃导通(单向脉冲模式)，与续流模块中的电感L₁、L₂和磁控溅射等离子体负载构成回路，此时磁控溅射等离子体负载上所加的电压即为启动电压；

d)时间段4：按照上述步骤1、2、3工作一段时间后，当磁控溅射装置中基片6的温度达到真正磁控溅射开始所需的合适温度时，关断高压启动模块2中的升压开关管Q，由Boost电路的基本原理可知，此后储能电感L_s不再提供高压储能。因为开始时所加的是脉冲高压，由等离子体的负载特性可知此时负载的等效电阻较小，等离子体负载上的电压V_L和电流i_L可以较快回到设定的工作值；

e)时间段5：输出达到正常工作电压后，电源启动过程完毕，脉冲发生模块开始按照既定的控制模式工作。

本发明装置采用以Boost电路为主体高压启动模块来产生磁控溅射启动时的脉冲高压，通过脉冲发生模块来调节产生磁控溅射工艺启动后正常工作时加在阳极基片6和阴极靶材7之间的脉冲偏压；通过续流模块来消除使用脉冲电源时等离子体负载上出现的电压震荡现象；通过异常检测模块来实现磁控溅射工艺进行过程中出现异常情况时对脉冲电源的二次高压启动，保证工艺的正常进行，

本发明解决了磁控溅射工艺中高压启动、输出电压震荡及磁控溅射过程中异常停机后启动复杂的问题。原则上，凡是具备一定离子密度的等离子体镀膜工艺，都可以应用本发明中所涉及的电源及其方法来实现高压启动和消除等离子体负载输出电压震荡的问题。本发明的提升启动电压的装置，既具有克服传统磁控溅射工艺不足的能力，又对于整个离子镀领域都具有技术革新的潜力。

Claims (1)

1.一种具有高启动电压的磁控溅射脉冲电源，其特征在于，

包括依次连接的DC输入(1)、高压启动模块(2)、脉冲发生模块(3)和续流模块(4)，续流模块(4)与磁控溅射装置中的基片(6)和靶材(7)连接，高压启动模块(2)还与异常检测模块(5)连接，异常检测模块(5)与设置在基片(6)和靶材(7)之间的磁控溅射的等离子体(8)连接，

高压启动模块(2)用于产生磁控溅射启动时所需的脉冲高压；脉冲发生模块(3)用于产生脉冲偏压；续流模块(4)用于将高压脉冲施加到磁控溅射装置中的基片(6)和靶材(7)上；异常检测模块(5)用于检测该等离子体(8)负载电流的变化，控制二次高压启动，

所述的高压启动模块(2)的电路是：储能电感L_s和升压开关管Q串联连接，储能电感L_s与DC输入(1)连接，电容C₁并联在升压开关管Q上，滤波电容C₂和假负载R并联后与二极管D串联连接，滤波电容C₂和假负载R及二极管D构成的电路与升压开关管Q并联连接；

所述的脉冲发生模块(3)的电路是：开关管Q₁和开关管Q₂串联连接，开关管Q₃和开关管Q₄串联连接，开关管Q₁和Q₃的输入端与二极管D连接，开关管Q₂和Q₄的输出端与DC输入(1)连接；

所述的续流模块(4)的电路是：包括并联的电感L₁和L₂，在电感L₁上反向并联有续流二极管D₁，在电感L₂上反向并联有续流二极管D₂，

脉冲发生模块(3)中的开关管Q₁的输出端通过电感L₁与基片(6)连接，脉冲发生模块(3)中的开关管Q₃的输出端通过电感L₂与靶材(7)连接；

异常检测模块(5)的电路是：包括电流传感器和异常信号产生单元，电流传感器设置于等离子体(8)中，并通过异常信号产生单元与高压启动模块(2)连接；

异常检测模块(5)的控制过程是：当电流传感器检测到等离子体(8)的负载电流异常时，异常信号产生单元产生一个异常信号用来封锁脉冲发生模块(3)；此后，电流传感器将对离子体(8)的负载电流进行定期检测，直到电流传感器检测等离子体(8)的负载电流正常后，再由异常信号产生单元发出一个重新启动信号给高压启动模块(2)，对脉冲电源二次高压启动。

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