CN108173450B - 一种集高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路 - Google Patents
一种集高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种集高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路，该电路由负极性高压短脉冲形成电路、高功率负极性低压主脉冲形成电路、正极性低压脉冲形成电路和磁开关组成，利用负极性高压短脉冲来实现对等离子体负载预电离处理，双极性高功率脉冲用于靶材的溅射，可以即时适应负载阻抗变化的特点。集高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路输出高功率脉冲占空比远大于负极性高压预电离脉冲的占空比，提高了磁控溅射镀膜电源效率和靶材溅射镀膜效率、减小电源体积。用于解决电源体积较大、效率较低、靶粒子沉积速率低问题。
Description
技术领域
本发明属于电子电路和磁控溅射材料表面处理研究技术领域，具体涉及一种集高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路。
背景技术
近年来，磁控溅射技术作为真空溅射的一种，以其独特的优点，如沉积温度低、薄膜密度高以及膜厚易控制等，使其成为硬质涂层制备广泛采用的技术之一。磁控溅射技术根据磁控溅射电源输出电压方式的不同分为直流磁控溅射和高功率脉冲磁控溅射。由于高功率脉冲磁控溅射技术具有溅射粒子离化率高和能够沉积出非常致密且具有高性能薄膜两大优点，高功率脉冲磁控溅射技术是国内研究的热点。由于磁控溅射等离子体负载特性的不同，不同靶材电离后阻抗差异很大，未发生电离时负载阻抗一般为高阻，一旦发生电离后负载阻抗很小，回路中电流急剧增大容易发生大火现象，要求脉冲磁控溅射电源具有很快的调节能力，时刻适应负载阻抗的变化。大多数情况下单一的高功率单极性产生电路和双极性脉冲形成电路都不能适应等离子体负载阻抗特性的变化。目前具有高功率脉冲峰值和直流形式预处理特点的脉冲形成电路可以很好的适应负载阻抗变化的特点，这种电路靠直流部分来实现对负载等离子体起弧预处理，高功率脉冲用于靶材的溅射，但由于高功率脉冲占空比少于直流部分的占空比，电源体积较大、效率较低；直流部分电压一般比较低不能有效的使等离子体负载预电离，实际应用中粒子沉积速率相对比较低，靶材溅射效率较低。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供了一种集高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路。该电路由负极性高压短脉冲形成电路、负极性主脉冲形成电路、正极性主脉冲形成电路和磁开关组成。所述的负极性高压预脉冲和低压双极性主脉冲输出的电压幅值、脉冲宽度等参数单独可控，互不干扰。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
集高压短脉冲预电离一体化双极性脉冲形成电路通过对等离子体负载施加负极性高压短脉冲电场，快速使工作气体发生电离中的气体电离形成阻抗较低、稳定的弱电离放电通道；随后受到高功率负极性低压脉冲电场，用于靶材的溅射；受到正极性低压脉冲电场，用于引入电子清洁铌靶表面，中和靶材表面积累的正电荷。
在上述技术方案中，所述集高压短脉冲预电离一体化双极性脉冲形成电路包括第一储能电容的两极各自连接到第一开关管和第二开关管，第一、第二开关管之间一次串联连接第一限流电阻和等离子体负载；第二储能电容的两极各自连接到第三开关管和第四开关管，第三、第四开关管之间一次串联连接第二限流电阻、第一磁开关、等离子体负载和第二磁开关；串联连接的第一磁开关和等离子体负载与保护电阻相互并联；第三储能电容的两极各自连接到第五开关管和第六开关管，第五、第六开关管之间一次串联连接保护二极管、第二磁开关、等离子体负载和第一磁开关。
在上述技术方案中，所述第一储能电容的正极连接到第一开关管的集电极，第一储能电容的负极连接到第二开关管的发射极，第一开关管的发射极与第二开关管的集电极之间依次串联第一保护电阻和等离子体负载，所述离子体负载的正极与第二开关管的集电极连接。
在上述技术方案中，所述第二储能电容的正极连接到第三开关管的漏极，第二储能电容的负极连接到第四开关管的源极，第三开关管的源极与第二开关管的漏极之间依次串联第二保护电阻、第一磁开关、等离子体负载和第二磁开关，第一保护电阻一端与等离子体负载正极连接，第一磁开关与第二保护电阻之间连接第一保护电阻另一端，所述等离子体负载的正极与第二磁开关管连接。
在上述技术方案中，每个开关管分别连接有负电压偏置隔离驱动电路。
在上述技术方案中，每个负电压偏置隔离驱动电路的输出正极连接到对应开关管的栅极，每个负电压偏置隔离驱动电路的输出负极连接到对应开关管的源极或发射极。
在上述技术方案中，所述第一储能电容的负极、第二储能电容的负极、第三储能电容的负极、等离子体负载的负极四者之间相互隔离。
在上述技术方案中，脉冲产生的过程为：
当连接到第一开关管和第二开关管上的负电压偏置隔离驱动电路同时输出信号时，第一、第二开关管导通，第一储能电容器通过第一、第二开关管、第一限流电阻、等离子体负载形成放电回路，在等离子体负载上产生负高压短脉冲，第一、第二磁开关和保护电阻阻止负极性高压短脉冲进入第三、第四、第五、第六开关管；当连接到第三开关管和第四开关管上的负电压偏置隔离驱动电路同时输出信号时，第三、第四开关管导通，第二储能电容器通过第三、第四开关管、第二限流电阻、第一磁开关、第二磁开关、等离子体负载形成放电回路，在等离子体负载上产生高功率负极性电压脉冲；当连接到第五开关管和第六开关管上的负电压偏置隔离驱动电路同时输出信号时，第五、第六开关管导通，第三储能电容器通过第五、第六开关管、保护二极管、第二磁开关、第一磁开关、等离子体负载形成放电回路，在等离子体负载上产生高功率正极性电压脉冲。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
一种集高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路可产生输出脉冲电压幅值、脉冲宽度等参数单独可控、互不干扰的负极性高压短脉冲、高功率负极性低压主脉冲、正极性低压脉冲，利用负极性高压短脉冲来实现对等离子体负载预电离处理，双极性高功率脉冲用于靶材的溅射，可以即时适应负载阻抗变化的特点，输出高功率脉冲占空比远大于负极性高压预电离脉冲的占空比，提高了磁控溅射镀膜电源效率和靶材溅射镀膜效率、减小电源体积。解决了电源体积较大、效率较低、靶粒子沉积速率低问题。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1集高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路原理图；
图2负电压偏置隔离驱动电路板结构框图；
图3集高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路的磁控溅射镀膜电源在铌靶负载下输出的电压和电流波形。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
如图1所示，一种集高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路由负极性高压短脉冲预电离脉冲形成网络、高功率负极性主脉冲网络和正极性脉冲形成网络组成。负极性高压短脉冲预电离脉冲形成网络主要由储能电容器C1、IGBT开关管Q1、IGBT开关管Q2、限流电路RS1负载RL组成，当驱动信号V1、V2同时为高电平时，开关管Q1、Q2同时导通，储能电容C1通过开关管Q1、Q2、限流电阻Rs，负载RL形成放电回路，在负载RL上产生负极性高压脉冲；高功率负极性主脉冲网络主要由储能电容器C2、MOSFET开关管Q3、开关管MOSFETQ4、限流电路RS2、磁开关MS1、磁开关MS2、负载RL组成，当驱动信号V3、V4同时为高电平时，开关管Q3、Q4同时导通，储能电容C2通过开关管Q3、Q4、限流电阻RS2、磁开关MS1、磁开关MS2、负载RL形成放电回路，在负载RL上产生高功率负极性低压脉冲；正脉冲形成网络主要由储能电容器C3、二极管D1、MOSFET开关管Q5、MOSFET开关管Q6、磁开关MS1、磁开关MS2、负载RL组成，当驱动信号V5、V6同时为高电平时，开关管Q5、Q6同时导通，储能电容C3通过开关管Q5、Q6，二极管D1，磁开关MS1、磁开关MS2、负载RL形成放电回路，在负载RL上产生正电压脉冲；磁开关MS1、磁开关MS2及保护电阻RS2阻止负极性高压短脉冲预电离时负极性高压短脉冲串入高功率双极性脉冲形成网络，防止高压脉冲加至低压MOSFET开关管上损坏开关管；负极性高压短脉冲形成网络、高功率负极性主脉冲形成网络和正极性脉冲形成网络输出电压幅值、脉冲宽度等参数单独可控，互不干扰。
如图２所示，负电压偏置隔离驱动电路板由光信号输入、光电信号转换、信号隔离、信号驱动、负电压偏置及信号输出单元组成。负电压偏置单元为信号驱动单元提供-5 V直流偏置电压，当驱动电路板没有光脉冲信号输入时，驱动电路板输出-5 V直流电压，一旦驱动电路板有光脉冲信号输入时，通过光电信号转换单元将输出光脉冲信号转换为+5 V电脉冲信号，信号隔离单元对+5 V电脉冲信号输入、输出进行隔离，隔离输出电脉冲信号经信号驱动单元输出+20 V电压脉冲信号，该信号经栅极电阻接至开关管栅极和源极之间，使开关管快速导通，通过调节栅极电阻阻值可以改变开关管的驱动电流和开关导通速度，当驱动电压脉冲消失后立刻使开关管栅极与源极之间电压变为-5 V直流电压，确保开关管快速、可靠的关断，解决开关管在导通和截止时产生的电压振荡冲击影响电源性能问题，使开关管工作在较为理想的开关状态，缩短了开关时间、减小了开关损耗，提高了电源运行效率、可靠性和安全性。
如图３所示，一种集高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路的磁控溅射镀膜电源在铌靶负载下输出的电压和电流波形。在装置参数为：高压预电离脉冲电压幅值-3600V，脉冲宽度6微秒；高功率负极性低压脉冲电压幅值-720V，脉冲宽度200微秒；正极性低压脉冲电压幅值300V，脉冲宽度200微秒；工作频率60 Hz，工作气体为氩气，气压0.7Pa下。用PEARSON电流环（110型，0.1V/A）和Tek P6015A高压探头分别检测工作时负载回路中的电压、电流信号。在上述工作条件下铌靶成功溅射出铌粒子，不加高压预电离脉冲直接加高功率双极性低压主脉冲铌靶不能发生溅射，成功的解决了铌靶负载溅射和溅射效率低问题。
本发明并不局限于前述的应用。本发明可以应用于氙灯等其它等离子体负载的溅射和预电离处理，可以扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (7)
1.一种集高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路，其特征在于由负极性高压短脉冲形成电路、高功率负极性低压主脉冲形成电路、正极性低压主脉冲形成电路和磁开关组成，高压预脉冲，正、负主脉冲输出脉冲电压幅值、脉冲宽度单独可控，互不干扰；
所述集高压短脉冲预电离一体化双极性脉冲形成电路包括第一储能电容的两极各自连接到第一开关管和第二开关管，第一、第二开关管之间一次串联连接第一限流电阻和等离子体负载；第二储能电容的两极各自连接到第三开关管和第四开关管，第三、第四开关管之间一次串联连接第二限流电阻、第一磁开关、等离子体负载和第二磁开关；串联连接的第一磁开关和等离子体负载与保护电阻相互并联；第三储能电容的两极各自连接到第五开关管和第六开关管，第五、第六开关管之间一次串联连接保护二极管、第二磁开关、等离子体负载和第一磁开关。
2.根据权利要求1所述的一种集高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路，其特征在于所述第一储能电容的正极连接到第一开关管的集电极，第一储能电容的负极连接到第二开关管的发射极，第一开关管的发射极与第二开关管的集电极之间依次串联第一保护电阻和等离子体负载，所述离子体负载的正极与第二开关管的集电极连接。
3.根据权利要求1所述的一种集高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路，其特征在于所述第二储能电容的正极连接到第三开关管的漏极，第二储能电容的负极连接到第四开关管的源极，第三开关管的源极与第二开关管的漏极之间依次串联第二保护电阻、第一磁开关、等离子体负载和第二磁开关，第一保护电阻一端与等离子体负载正极连接，第一磁开关与第二保护电阻之间连接第一保护电阻另一端，所述等离子体负载的正极与第二磁开关管连接。
4.根据权利要求1所述的一种集高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路，其特征在于每个开关管分别连接有负电压偏置隔离驱动电路。
5.根据权利要求1所述的一种集高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路，其特征在于每个负电压偏置隔离驱动电路的输出正极连接到对应开关管的栅极，每个负电压偏置隔离驱动电路的输出负极连接到对应开关管的源极或发射极。
6.根据权利要求1所述的一种集高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路，其特征在于所述第一储能电容的负极、第二储能电容的负极、第三储能电容的负极、等离子体负载的负极四者之间相互隔离。
7.根据权利要求1所述的一种集高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路，其特征在于脉冲产生的过程为：
当连接到第一开关管和第二开关管上的负电压偏置隔离驱动电路同时输出信号时，第一、第二开关管导通，第一储能电容器通过第一、第二开关管、第一限流电阻、等离子体负载形成放电回路，在等离子体负载上产生负高压短脉冲，第一、第二磁开关和保护电阻阻止负极性高压短脉冲进入第三、第四、第五、第六开关管；
当连接到第三开关管和第四开关管上的负电压偏置隔离驱动电路同时输出信号时，第三、第四开关管导通，第二储能电容器通过第三、第四开关管、第二限流电阻、第一磁开关、第二磁开关、等离子体负载形成放电回路，在等离子体负载上产生高功率负极性电压脉冲；
当连接到第五开关管和第六开关管上的负电压偏置隔离驱动电路同时输出信号时，第五、第六开关管导通，第三储能电容器通过第五、第六开关管、保护二极管、第二磁开关、第一磁开关、等离子体负载形成放电回路，在等离子体负载上产生高功率正极性电压脉冲。
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