CN104753386A - 一种脉冲溅射电源 - Google Patents

Abstract

一种脉冲溅射电源，包括顺序连接的三相整流电路、逆变电路、高频变压器、整流滤波电路、脉冲发生电路；其特征在于：包括中央处理器、驱动电路、信号采集模块、保护模块、上位机、液晶显示模块、信号输入模块；所述中央处理器为ARM系统；所述信号采集模块包括电压采样电路、电流采样电路；所述保护模块包括过流及短路保护电路；本发明解决现有技术中功率开关管过多造成的电源可靠性下降，提供一种动态特性好、成本较低、控制简单可靠、具有能量回馈的一种脉冲溅射电源。本发明还公开了一种基于上述脉冲溅射电源的控制方法。

Description

一种脉冲溅射电源

技术领域

本发明涉及磁控溅射技术领域，特别是涉及一种脉冲溅射电源。

背景技术

薄膜沉积是在真空环境下，利用等离子体中的荷能离子轰击靶材表面，使靶材上被轰击出来的原子或离子沉积在基体表面生长成具有特定功能的薄膜。磁控溅射技术是薄膜沉积工艺的一种，是利用电磁场来控制真空室内气体异常辉光放电中离子、电子的运动轨迹及分布状况的溅射镀膜工艺过程。

目前国内外研制的磁控溅射电源主要有直流溅射电源，射频溅射电源，中频溅射电源，脉冲溅射电源等几种类型。中频溅射、射频溅射和脉冲溅射能够克服直流溅射过程中在做反应膜时的电荷积累和放电，有效解决了靶中毒严重的现象，克服了溅射过程中阳极消失的现象。中频溅射要求两个孪生靶，并且溅射速率比脉冲溅射低，射频溅射电源工作频率在十几兆赫兹，设备成本很高，而脉冲溅射可以在直流溅射设备上直接进行，只需单个靶材即可，溅射速率比中频溅射高，工作频率在几十千赫兹，成本大大低于射频溅射电源。脉冲溅射电源是采用矩形波电压的脉冲电源代替传统直流溅射电源进行薄膜沉积。

中国专利(申请号：CN201310024628)公开了一种高能量脉冲式磁控溅射方法及磁控溅射装置，其中，该高能量脉冲式磁控溅射装置，包括真空腔、抽真空设备、电源、中央控制单元，其特征在于，所述电源包括脉冲发生单元、偏压电源和直流电源；所述偏压电源连接于样品上，所述直流电源连接于靶材上，所述脉冲发生单元通过数据线与中央控制单元连接，并且该脉冲发生单元由直流电源推动产生脉冲电流，并将该电流输出至真空腔的靶材中。然而该高能量脉冲式磁控溅射装置并没有详细记载磁控溅射装置的电路结构组成，仅仅阐述了其工作原理，导致本领域技术人员无法根据其公开内容进行设计。

西安理工大学学报(2013年第29卷第2期，作者：陈桂涛等)公开了一种基于FPGA的新型非对称双极脉冲磁控溅射电源的研究，该文献研究了基于FPGA的非对称双极脉冲电源，解决了磁控溅射工艺中遇到的共性问题，同时获得了优异的膜层性能和更宽的工艺范围。可以根据磁控溅射电源工艺需求对双向脉冲参数包括脉冲幅值、频率、占空比，以及正负向个数和正向脉冲与负向脉冲之间的换向时间等自由调节。最后设计了一个6kW/100kHz样机，前级采用两个独立的DC/DC变换器作为直流源，后级为一个非对称脉冲发生器。采用Altera公司的FPGA(EP3C25Q240C8)作为数字处理器实现了电源的数字控制，同时对后级脉冲变换环节实现高自由度控制，通过实验结果分析进一步验证了设计的可行性。然而，该磁控溅射电源的矩形电压生成部分采用全桥逆变加整流的方式实现，功率开关管数量多，电源成本增加，并且电源控制复杂，影响电源可靠性。

发明内容

本发明是针对现有技术中存在的不足，提供一种性能稳定、成本较低、具有高脉冲峰值电压的高功率脉冲磁控溅射电源。

本发明通过以下技术方案加以实现：一种脉冲溅射电源，包括顺序连接的三相整流电路、逆变电路、高频变压器、整流滤波电路、脉冲发生电路；其特征在于：还包括中央处理器、驱动电路、信号采集模块、保护模块、上位机、液晶显示模块、信号输入模块；所述中央处理器为ARM系统；所述信号采集模块包括电压采样电路、电流采样电路；所述保护模块包括过流及短路保护电路；所述脉冲发生电路的输出端一端接磁控溅射装置基板另一端接磁控溅射装置靶材。

优选为：所述三相整流电路的输入端与空气开关输出端连接；所述空气开关的输入端连接快速可恢复保险管。

优选为：所述驱动电路包括对逆变电路的驱动和对脉冲发生电路的驱动；所述驱动电路的驱动信号是由ARM系统产生并经过光电隔离电路处理后生成的。

优选为：所述电流采样电路包括对所述整流滤波电路的输出电流以及对脉冲发生电路的输出电流采样电路。

优选为：所述电流采样电路包括电流传感器，所述电流传感器采用霍尔电流传感器。

优选为：所述电压采样电路包括对所述整流滤波电路的输出电压以及对脉冲发生电路的输出电压采样电路。

优选为：所述电压采样电路、电流采样电路经过A/D采样电路后传输到ARM控制芯片。

优选为：所述上位机与ARM系统之间的信号传输为无线传输，优选为4G网络传输。

优选为：所述脉冲发生电路的结构为：包括开关管V输出端连接于电感L抽头a端；电感L抽头o端连接于直流电源电路负极，电感L抽头b端与磁控溅射装置靶材相连，开关管V输入端与磁控溅射装置基板共同相连于直流电源电路正极；所述开关管V的控制端与PWM控制电路连接；所述PWM控制电路生成PWM控制信号后经过光电隔离电路、驱动电路后控制所述脉冲发生电路中开关管的导通、关断。

本发明公开一种基于上述脉冲溅射电源的控制方法。

有益效果：本发明解决现有技术中功率开关管过多造成的电源可靠性下降，提供一种动态特性好、成本较低、控制简单可靠的一种脉冲溅射电源。

附图说明

附图1为本发明结构示意图；

附图2为本发明直流电源电路结构示意图

附图3为本发明脉冲发生电路结构示意图；

附图4为本发明电压采样电路示意图；

附图5为本发明电流采样电路示意图；

附图6为本发明过流短路保护电路示意图；

附图7为本发明电压采样流程图。

具体实施方式

参见附图1所示。

一种脉冲溅射电源，包括顺序连接的三相整流电路、逆变电路、高频变压器、整流滤波电路、脉冲发生电路；其特征在于：包括中央处理器、驱动电路、信号采集模块、保护模块、上位机、液晶显示模块、信号输入模块；所述中央处理器为ARM系统；所述信号采集模块包括电压采样电路、电流采样电路；所述保护模块包括过流及短路保护电路。所述三相整流电路的输入端与空气开关输出端连接；所述空气开关的输入端连接快速可恢复保险管。所述驱动电路包括对逆变电路的驱动和对脉冲发生电路的驱动；所述驱动电路的驱动信号是由ARM系统产生并经过光电隔离电路处理后生成的。所述电流采样电路包括对所述整流滤波电路的输出电流以及对脉冲发生电路的输出电流采样电路。所述电流采样电路包括电流传感器，所述电流传感器采用霍尔电流传感器。所述电压采样电路包括对所述整流滤波电路的输出电压以及对脉冲发生电路的输出电压采样电路。所述电压采样电路、电流采样电路经过A/D采样电路后传输到ARM系统。所述上位机与ARM系统之间的信号传输为无线传输，优选为4G网络传输。所述ARM系统的信号输入为键盘输入或无线输入；所述ARM系统的显示为液晶显示或数码管显示。

参见附图2所示。所述三相整流电路、逆变电路、高频变压器、整流滤波组成直流电源电路。整流桥D1及滤波电容C2组成三相整流电路；开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4组成逆变电路；T为高频变压器；整流桥D2、电感Lo、电容C4组成整流滤波电路。所述逆变电路中开关管Q1与开关管Q4、开关管Q2与开关管Q3交替导通与关断。

三相380V交流电经整流电路后，变换为大小540V的直流电，经逆变电路，将直流电变换为20KHZ的交流电并送入高频变压器，进行升压变换，高压高频交流电经过整流滤波变换为直流电。

ARM系统包括ARM微控制器：键盘输入、液晶显示主要负责电源参数的预置和电源工作状态显示，此外ARM系统其具有很强的通信能力，可通过专用接口实现与外部计算机间的通信，从而可以非常方便地实施网络化管理与软件控制程序的升级。ARM系统利用传感器进行电流、电压信号的采样，并将电流、电压反馈信号经过信号处理直接输入ARM，通过ARM内部的A/D转换器，将电流、电压反馈的模拟信号转变为数字信号；由键盘输入的电流、电压、频率、脉冲宽度的给定信号以数字量的形式传送给ARM；ARM根据各信号给定值与反馈值，基于数字PID控制进行运算，产生PWM脉冲序列；ARM输出的PWM信号通过光电隔离、驱动电路，控制逆变电路和脉冲发生电路中的功率开关器件IGBT的通断，得到设定的输出电压和电流。所述ARM控制器优选为ARM8。

参见附图3所示。所述脉冲发生电路的结构为：包括开关管V输出端连接于电感L抽头a端，电感L抽头o端连接于直流电源电路负极，电感L抽头b端与磁控溅射装置靶材相连，开关管V输入端与磁控溅射装置基板共同相连于直流电源电路正极；所述开关管V的控制端与PWM控制电路连接；所述PWM控制电路生成PWM控制信号后经过光电隔离电路、驱动电路后控制所述脉冲发生电路中开关管的导通、关断。所述脉冲发生电路的开关管V为IGBT管。

所述直流电源电路用于产生直流电，其电压电流受PWM控制电路监测与控制。所述脉冲发生电路用于产生高频功率脉冲，其频率和占空比受PWM控制电路控制。所述PWM控制电路用于采集电压电流信号，发出直流电源电路控制信号，发出脉冲发生电路控制信号。

所述脉冲发生电路的工作原理：PWM控制电路控制脉冲发生电路的开关管V开通与关断。开关管V关断时，电流从直流电源正极流出，向等离子体供电，并经过电感L流回直流电源负极，此时电感L电压极性o端为负、b端为正，储存电能；由于靶材表面积累正电荷致使等离子体负载表现电容性质，其极性为上正下负，开关管V导通时，此时电感L起到变压器作用，a端和o端是输入端，b端和a端是输出端，a端和b端是同名端，电感L的a端和o端接直流电源电路，a端高于o端电位故b端电位要高于a端电位，此时电感L向等离子体负载反向充电，中和靶材表面积累电荷；开关管V再次关断时，电感L出现内部环流，使得电感电流迅速平衡。电感L具有电感和变压器的双重作用，先后完成储能和传递能量。调节电感L的中心抽头a端的位置，可调节反向充电电压。

PWM控制电路，由ARM微控制器及外围保护电路组成。其功能：电流、电压信号的采集与运算；脉宽调制信号的产生；异常弧光放电的保护；恒流、恒压、恒功率特性的生成，脉冲信号的生成及频率的调整。

本发明中脉冲溅射电源电压采样电路以及电流采样电路参见附图4-5，同时增加了过流及短路保护电路，参见附图6所示。

参见附图4所示为电压采样电路示意图。采样电压经电阻R11和R22分压后，进入电感L11和电容C11组成的低通滤波器，滤除高频干扰成分，后送入由运算放大器OA1、电阻R13和R14组成的比例放大电路进行阻抗变换，后送入光耦OI进行光电隔离，而后送入运算放大器OA2，进行阻抗变换，最后采样电压一路送入到ARM的模数转换部分，一路送到过流及短路保护电路。所述运算放大器可选为OP07、OP27、UA741集成芯片；所述光耦为线性光耦，可选为PC817A-C集成芯片。

参见附图5所示电流采样电路示意图。霍尔电流传感器LEM.A按一定比例输出取样电流值，而后送入由L1和C1组成的低通滤波器，滤除高频干扰成分，后送入运算放大器0A组成的电压跟随器进行阻抗变换，最后采样电流一路送入到ARM的模数转换部分，一路送到过流及短路保护电路。所述霍尔电流传感器型号优选为LEM45集成模块。

参见附图6所示过流及短路保护电路示意图。电阻R21、R22和R25及电压比较器CP1组成电流比较电路，电阻R23、R24和R26及电压比较器CP2组成电压比较电路，timer集成电路为NE555，与R27、C22、C21共同组成单稳态电路其中2脚为触发端，3脚为输出端。

镀膜过程中气体放电由辉光放电转入弧光放电，电流会迅速升高，电压迅速降低，是镀膜工艺所不允许的，本发明采用双比较电路来实现过流及短路保护。所述比较电路优选为LM339芯片。

当电流采样值超过设定值(由R21和R22分压值设定)，电压比较器CP1输出低电平，与非门NAND输出高电平；当电压采样值低于设定值(由R23和R24分压值设定)也会使得与非门NAND输出高电平。若触发单稳态电路，输出高电平单脉冲信号，一路送入光电隔离，截止PWM控制信号传送；一路送入ARM中断端口，ARM执行中断程序，停止PWM控制信号的输出。实现了双重保护，达到迅速抑制弧光放电的目的，保护电源和靶材。

本发明特别强调：上述脉冲发生电路、电压采样电路、电流采样电路过流及其短路保护电路，是发明人针对脉冲溅射电源经过多年研发并付出创造性的劳动设计出的经典电路，尤其是脉冲发生电路更是本发明人付出创造性的劳动获得的，通过上述电路的设计更好的保证了脉冲溅射电源的可靠性、动态特性好、成本低、控制简单可靠、具有能量回馈的优点。

此外，本发明还公开了一种脉冲溅射电源控制方法，该方法包括主模块、人机交互子模块、故障判断子模块、闭环控制子模块；所述闭环控制子模块进一步包括专家控制子模块；其中，所述主模块主要完成软启动、对外部数据的采集、闭环系统调节器的专家控制子模块、脉冲发生电路的形成、过压、过流、短路保护等工作。主模块主要包括故障判断子模块、中断检测子模块、计算子模块。

其中所述故障判断子模块判断电源是否工作正常，如有故障，则进行故障处理，通过ARM嵌入式操作系统的A/D功能进行模数转换和算法来判断输入输出的值；通过专家控制子模块调整电源输出电压电流。

此外，闭环控制子模块可以包括PID控制子模块或模糊控制子模块。

其中图7为一个电压采样子程序流程图的实施例。在初始化过程中，先将ARM各个输入端口复位，初始化后，开中断程序，若有中断请求则响应，否则进行数据采集并读取参考值，然后进行数据处，输出相应控制，如果由欠压、过压、短路或过流情况发生，则进行故障处理。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种脉冲溅射电源，包括顺序连接的三相整流电路、逆变电路、高频变压器、整流滤波电路、脉冲发生电路。其特征在于：包括中央处理器、驱动电路、信号采集模块、保护模块、上位机、液晶显示模块、信号输入模块；所述中央处理器为ARM系统；所述信号采集模块包括电压采样电路、电流采样电路；所述保护模块包括过流及短路保护电路；所述脉冲发生电路的输出端一端接磁控溅射装置的基板，另一端接磁控溅射装置的靶材。

2.根据权利要求1所述的脉冲溅射电源，其特征为：所述三相整流电路的输入端与空气开关输出端连接；所述空气开关的输入端连接快速可恢复保险管。

3.根据权利要求1所述的脉冲溅射电源，其特征为：所述驱动电路包括对逆变电路的驱动和对脉冲发生电路的驱动；所述驱动电路的驱动信号是由ARM系统产生并经过光电隔离电路处理后生成的。

4.根据权利要求1所述的脉冲溅射电源，其特征为：所述电流采样电路包括对所述整流滤波电路的输出电流以及对脉冲发生电路的输出电流采样电路。

5.根据权利要求1所述的脉冲溅射电源，其特征为：所述电流采样电路包括电流传感器，所述电流传感器采用霍尔电流传感器。

6.根据权利要求1所述的脉冲溅射电源，其特征为：所述电压采样电路包括对所述整流滤波电路的输出电压以及对脉冲发生电路的输出电压采样电路。

7.根据权利要求1所述的脉冲溅射电源，其特征为：所述电压采样电路、电流采样电路经过A/D采样电路后传输到ARM系统。

8.根据权利要求1所述的脉冲溅射电源，其特征为：所述上位机与ARM系统之间的信号传输为无线传输，优选为4G网络传输。

9.根据权利要求1所述的脉冲溅射电源，其特征为：所述脉冲发生电路的结构为：包括开关管V输出端连接于电感L抽头a端；电感L抽头o端连接于直流电源电路负极，电感L抽头b端与磁控溅射装置靶材相连，开关管V输入端与磁控溅射装置基板共同相连于直流电源电路正极；所述开关管V的控制端与PWM控制电路连接；所述PWM控制电路生成PWM控制信号后经过光电隔离电路、驱动电路后控制所述脉冲发生电路中开关管的导通、关断。

10.一种根据权利要求1-9任一所述的脉冲溅射电源的控制方法，其特征为：包括主模块、人机交互子模块、故障判断子模块、闭环控制子模块；所述闭环控制子模块进一步包括专家控制子模块；其中，所述主模块主要完成软启动、对外部数据的采集、闭环系统调节器的专家控制子模块、脉冲发生电路的形成、过压、过流、短路保护功能；主模块包括故障判断子模块、中断检测子模块、计算子模块；所述故障判断子模块判断电源是否工作正常，如有故障，则进行故障处理，通过ARM嵌入式操作系统的A/D功能进行AD转换和算法来判断输入输出的值；通过专家控制子模块调节PWM占空比，从而调整电源输出电压电流。