CN110138362A - 一种从靶材泵出离子的新型脉动等离子体的电源 - Google Patents

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Abstract

一种从靶材泵出离子的新型脉动等离子体的电源，包括前级直流电源模块、脉冲调制器模块及同步控制器模块，前级直流电源模块至少包括第一直流电源模块和第二直流电源模块；脉冲调制器模块至少包括第一脉冲调制器模块和第二脉冲调制器模块；第一直流电源模块与第一脉冲调制器模块提供高能冲击磁控溅射放电所需的能量；第二直流电源模块与第二脉冲调制器模块提供泵出离子形成脉动等离子体所需的能量；两个直流电源模块贮存的能量分别通过第一脉冲调制器模块和第二脉冲调制器模块调制后，以脉冲的方式，泄放到等离子体的发生装置里；同步控制器模块对脉冲调制器模块进行同步控制。本发明能够对高能冲击磁控溅射中从靶材溅射出的离子进行加速。

Description

一种从靶材泵出离子的新型脉动等离子体的电源
技术领域
本发明涉及低温等离子体及应用领域，具体涉及用于产生等离子体的电源。
背景技术
原子排列的构型决定材料的性能，世界上，尤其是近五十年来，科学家一直尝试俘获、操控、控制单个原子，以受控方式操控单个原子的相关研究已多次获诺贝尔奖。但是，通过单原子操控来获得宏观材料远不现实，等离子体离子流操控有望实现这一目的手段。
批量从固态材料获得原子已不成问题，如利用辉光放电的直流磁控溅射(dcMS)，就可将靶材原子从固态批量撞出来。然而，dcMS的离化率低，被撞出来的粒子通常以原子为主，离化率通常小于5％。如能将撞出来的原子离化成离子，并将其中的离子取出来，则可获得具有高自由能的荷电粒子，而荷电粒子是制备新材料、尤其是制备高能量势垒新材料的关键技术之一。
1999年出现的高能冲击磁控溅射(HiPIMS：High-Power Impulse MagnetronSputtering)技术将dcMS溅射出的粒子离化率大大增加，可以获得大量的荷电粒子。使得沉积中绕射性、可控性等大大增强，引起世界的关注，纷纷开展相关研究。但很快人们发现HiPIMS沉积速度却只有dcMS的20～80％。提高HiPIMS的沉积速率，深入理解等离子体工作模式等，是近10年来的国际研究热点。
人们研究发现，HiPIMS虽然能够提高溅射出来的原子的离化率，将离化率提高到甚至的80％以上，但是，由于靶材上面施加的是负脉冲，因此，离子实际上是不停受到靶材的负电压的吸引，处于一个减速电场(Retarding Field)中，因此，很难到达基材。同时，也造成了沉积速率的下降。
发明内容
本发明目的之一在于提供一种新型电源，其能够对高能冲击磁控溅射中从靶材溅射出的离子进行加速。
本发明之另一目的在于提供一种新型电源，其能够提高高能冲击磁控溅射的沉积速率。
本发明之另一目的在于提供一种磁控溅射系统，其能够提高高能冲击磁控溅射的沉积速率。
本发明之另一目的在于提供一种空间推进器，其能够对高能冲击磁控溅射中从靶材溅射出的离子进行加速。
一种从靶材泵出离子的新型脉动等离子体的电源，包括前级直流电源模块、脉冲调制器模块以及同步控制器模块,所述前级直流电源模块安装在脉冲调制器模块的前端，至少包括第一直流电源模块和第二直流电源模块；所述脉冲调制器模块至少包括第一脉冲调制器模块和第二脉冲调制器模块；第一直流电源模块与第一脉冲调制器模块负责提供高能冲击磁控溅射(HiPIMS)放电所需的能量；第二直流电源模块与第二脉冲调制器模块负责提供泵出离子形成脉动等离子体所需的能量；第一直流电源模块和第二直流电源模块贮存的能量分别通过第一脉冲调制器模块和第二脉冲调制器模块调制后，以脉冲的方式，泄放到等离子体的发生装置里；同步控制器模块用于对第一脉冲调制器模块和第二脉冲调制器模块进行同步控制。
作为优选方式，该电源用于磁控溅射系统，使得在该磁控溅射系统的真空腔体中，从磁控溅射靶材的溅射面的附近区域批量泵出离子，形成脉动等离子体。
作为优选方式，所述第一直流电源模块为稳压电源，该稳压电源可以提供高功率的脉冲磁控溅射所需要的电压及能量，可以使得溅射能够达到高能冲击磁控溅射的功率密度，该稳压电源的直流电压可调，最大的输出电压值不小于600V。
作为优选方式，所述第二直流电源模块为稳压电源，能够为泵出脉冲提供稳定的泵出电压，该稳压电源的直流电压可调，最大的输出电压值不小于50V。
作为优选方式，所述第一脉冲调制器模块和第二脉冲调制器模块的作用是将直流电源模块的直流电压斩波调制成为脉冲电压。
作为优选方式，所述第一脉冲调制器模块和第二脉冲调制器模块既可以接在直流电源模块的正输出端，也可以接在负的输入端，但是，第一脉冲调制器模块设置于高能冲击磁控溅射放电的回路中；第二脉冲调制器模块设置于泵出回路中。
作为优选方式，所述同步控制器模块能够发出两组同步脉冲驱动信号分别驱动第一脉冲调制器模块和第二脉冲调制器模块；同步控制器模块所发出的两组同步脉冲不能重叠，能够有效避免第一脉冲调制器模块和第二脉冲调制器模块同时打开造成的短路。
作为优选方式，所述同步控制器模块能够发出两组同步脉冲驱动信号分别驱动第一脉冲调制器模块和第二脉冲调制器模块；同步控制器模块所发出的两组同步脉冲频率相同且可以分别调节脉宽。
作为优选方式，所述同步控制器模块能够发出两组同步脉冲驱动信号分别驱动第一脉冲调制器模块和第二脉冲调制器模块；同步控制器模块所发出的同步脉冲P1的脉宽最小不小于3μs，最大不大于500μs；同步控制器模块所发出的同步脉冲P2的脉宽最小不小于5μs。
作为优选方式，所述同步控制器模块能够发出两组同步脉冲驱动信号分别驱动第一脉冲调制器模块和第二脉冲调制器模块；同步控制器模块所发出的同频率的同步脉冲之间的时间间隔最小为0s，最大时间间隔不大于2ms。
作为优选方式，所述前级直流电源模块、脉冲调制器模块及同步控制器模块三部分可以集成在同一个机箱内或者分别排列组合，也可以将这三部分具有分别功能的电路制备在同一块电路板上。
另一方面，本发明提供一种磁控溅射系统，其包括前述的电源。
另一方面，本发明提供一种空间推进器，其包括前述的电源。
本发明在HiPIMS技术的基础上，提供了一种从靶材泵出离子的新型脉动等离子体的电源，通过该电源脉冲快速切换，在HiPIMS的溅射出金属原子并进行离化后，把使得离子难以逃离靶材的负的脉冲电压造成的离子向基片运动的减速电场(Retarding Field)快速切换成成正电压脉冲，变成促使离子向外加速的加速电场。从而，使本来受靶吸引的离子变成受靶材的排斥，将金属离子源源不断地以脉冲方式从HiPIMS放电的离化区域“泵”出来，形成脉动等离子体。该电源不仅能够用于涂层沉积，还可以用于将离子加速喷射出去，用于空间的推进器等领域。
与现有技术相比，本发明能够对高能冲击磁控溅射中从靶材溅射出的离子进行加速，从而能够在多个领域获得新的技术效果，例如，能够加速离子溅射系统的涂层沉积速率，也能够应用于空间推进器对高能冲击磁控溅射中从靶材溅射出的离子进行加速。
附图说明
图1为本发明的一种从靶材泵出离子的新型脉动等离子体的电源的组成结构示意图。
图2为第一和第二脉冲调制器模块H、I采用IGBT、并分别连接到第一直流电源模块A的正输出端和第二直流电源模块B的负输出端的电路连接方式示例。
图3为第一和第二脉冲调制器模块H、I采用IGBT、并分别连接到第一直流电源模块A的负输出端和第二直流电源模块B的正输出端的电路连接方式示例。
图4为第一和第二脉冲调制器模块H、I采用IGBT、并分别连接到直流电源模块的正输出端的电路连接方式示例。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本发明的从靶材泵出离子的新型脉动等离子体的电源、离子溅射系统、以及空间推进器的实施方式。
在此记载的实施方式为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施方式外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施方式的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施方式的各部件的结构，各附图之间不一定按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同或相似的部分。
图1为本发明的一种从靶材泵出离子的新型脉动等离子体的电源的组成结构示意图。
如图1所示，本发明的从靶材泵出离子的新型脉动等离子体的电源包括前级直流电源模块、脉冲调制器模块以及同步控制器模块S。前级直流电源模块安装在脉冲调制器模块S的前端，至少包括两个直流电源模块：第一直流电源模块A和第二直流电源模块B。脉冲调制器模块是脉冲控制器，至少包括两个脉冲调制器模块：第一脉冲调制器模块H和第二脉冲调制器模块I，即至少包括两个脉冲控制器H和I。第一直流电源模块A与第一脉冲调制器模块H负责提供HiPIMS放电所需的能量；第二直流电源模块B与第二脉冲调制器模块I负责提供泵出离子形成脉动等离子体所需的能量；第一和第二直流电源模块A、B贮存的能量，分别通过第一和第二脉冲调制器模块H、I调制后，以脉冲的方式，泄放到等离子体的发生装置里。同步控制器模块S用来对第一和第二脉冲调制器模块H、I进行同步控制。该电源最终能够在真空腔体C中，从磁控溅射靶材T的溅射面①的附近区域②批量泵出离子③，形成脉动等离子体④。脉动等离子体④喷射到基材M的表面上。
第一直流电源模块A可以提供高功率的脉冲磁控溅射所需要的电压及能量，可以使得溅射能够达到HiPIMS的功率密度，其电压可调，最大的输出电压值不小于600V。
第一直流电源模块A可以是各种公知的方法获得的直流电源模块，其特点是能够输出一端为正，一端为负的直流电压。试验的状态下，该直流电压可调节，但是一旦确定了等离子体放电的参数，也可以在靶材等固定的情况下，采用某一不可调电压的直流电源模块。
第二直流电源模块B为泵出脉冲提供稳定的泵出电压，其直流电压可调，最大的输出电压值不小于50V。
第二直流电源模块B可以是各种公知的方法获得的直流电源模块，其特点是能够输出一端为正，一端为负的直流电压。该电压可以调节，但是一旦确定了等离子体放电的参数，也可以采用某一特定的电压。
第一和第二脉冲调制器模块H、I的作用是可以通过脉冲控制开和关的开关，可以将直流电源模块的直流斩波调制成为脉冲。
第一和第二脉冲调制器模块H、I的开关可以是晶体管开关也可以是IGBT开关(图2、图3、图4所示)，也可以是晶闸管等所公知的电子元器件制成的，其特点是可以通过脉冲打开和关闭。
图2为电路连接方式示例1，其中，第一和第二脉冲调制器模块H、I采用IGBT，并分别连接到第一直流电源模块A的正输出端和第二直流电源模块B的负输出端。
图2所示的结构是以电源应用到溅射系统为例，在该示例中，采用IGBT作为脉冲调制器模块开关器件制备本发明的从靶材泵出离子的新型脉动等离子体的电源。前级的第一直流电源模块A的正输出端连接第一脉冲调制器模块H的输入端，然后经第一脉冲调制器模块H调制后经其输出端连接到磁控溅射的作为磁控溅射阳极的真空腔体C上。前级的第一直流电源模块A的负输出端与第二直流电源模块B的正输出端相连后与磁控溅射靶材T连接。第二直流电源模块B的负输出端连接第二脉冲调制器模块I的输出端，第二脉冲调制器模块I输入端连接到作为阳极的真空腔体C上。同步控制器模块S输出的同步脉冲信号P1连接到第一脉冲调制器模块H的控制端。第二脉冲调制器模块I的输入端连接到作为阳极的真空腔体C上。同步控制器模块S输出的同步脉冲信号P2连接到第二脉冲调制器模块I的控制端。对两路调制信号调制的脉冲进行同步及移相操作。
磁控溅射系统抽真空，达到背底真空，供应气体，将磁控溅射系统的气压控制在磁控溅射HiPIMS放电常用的气压下，馈入气体达到磁控溅射的工作气压范围后，开启电源，即可实现靶材T的HiPIMS放电及其随后的离子泵出。该电源最终能够在真空腔体C中，从磁控溅射靶材T的溅射面①附近的HiPIMS放电区域②批量泵出离子③，形成脉动等离子体④。
图3为电路连接方式示例2，其中，第一和第二脉冲调制器模块H、I采用IGBT，并分别连接到第一直流电源模块A的负输出端和第二直流电源模块B的正输出端。图3所示的结构的操作方式与图2所示结构的操作方式类似，具有相同的技术效果。
图4为电路连接方式示例3，其中，第一和第二脉冲调制器模块H、I采用IGBT，并分别连接到直流电源模块的正输出端。图的所示的结构的操作方式与图2所示结构的操作方式类似，具有相同的技术效果。
第一和第二脉冲调制器模块H、I的连接位置是可以变化的，虽然图2、图3、图4分别给出了一种连接方式示例，但是，并没有全部枚举出连接方式。其特征是第一脉冲调制器模块H只要在HiPIMS放电的回路中即可；第二脉冲调制器模块I只要在泵出回路中即可。
第一和第二脉冲调制器模块H、I既可以接在直流电源模块的正输出端，也可以接在直流电源模块负的输入端。
第一脉冲调制器模块H负责将第一直流电源模块A提供的直流电压斩波成脉冲直流电压，馈送给等离子体放电装置。其中，直流脉冲电压的负极连接靶材T，直流脉冲的正极连接放电的阳极，使得靶材T和阳极之间产生HiPIMS脉冲放电，形成高离化率的等离子体②。
第二脉冲调制器模块I虽然也是负责将第二直流电源模块B变成正的直流脉冲，但是，其斩波获得的直流脉冲的正极与靶材T相连，直流脉冲的负极与阳极相连。其负责将HiPIMS脉冲放电后产生的等离子体的离子泵出去。
同步控制器模块S能够发出两组同步脉冲驱动信号分别驱动第一脉冲调制器模块H和第二脉冲调制器模块I；同步控制器模块S所发出的两组同步脉冲不能重叠，以有效避免第一脉冲调制器模块H和第二脉冲调制器模块I同时打开造成的第一和第二直流电源模块A和B的不经过等离子区域串联短路。
同步控制器模块S能够发出两组同步脉冲驱动信号P1、P2分别驱动第一脉冲调制器模块H和第二脉冲调制器模块I；同步控制器模块S所发出的两组同步脉冲P1、P2频率相同且可以分别调节脉宽。
同步控制器模块S所发出的同步脉冲P1的脉宽最小不小于3μs，最大不大于500μs；同步控制器模块S所发出的同步脉冲P2的脉宽最小不小于5μs。
同步控制器模块S所发出的同频率的同步脉冲P1、P2之间的时间间隔最小为0s，最大时间间隔不大于2ms。
所述的时间间隔是指能够打开第一脉冲调制器模块H和能够打开第二脉冲调制器模块I的时间间隔。
虽然如前所述本发明的从靶材泵出离子的新型脉动等离子体的电源包括前级直流电源模块、脉冲调制器模块及同步控制器模块三部分，但是这三部分仅仅是功能上的划分。物理形式上，它们可以集成在同一个机箱内或者分别排列组合。也可以将这三部分具有分别功能的电路制备在同一块电路板上等。
进一步，本发明的从靶材泵出离子的新型脉动等离子体的电源可以有散热装置，可以有接线端子，可以有控制面板，可以有输入输出端子。
所述散热装置的散热方式可以为风冷或水冷散热。
本发明电源的后面板可以包括输出端子、远控端子、输入端子和接地端子。
所述控制面板可以包括输出电压、输出电流和输出功率指示窗口、运行状态指示灯和电压调节旋钮。
所述控制器内部的散热装置可以与控制模块、功率调节模块、故障诊断模块和频率调节模块分层安装。
本发明的离子溅射系统包括本发明的电源，以加速离子溅射系统的涂层沉积速率。在图1-4的结构示例中，本发明的电源就是应用于离子溅射系统，离子溅射系统的磁控溅射靶材T和真空腔体C分别连接本发明的电源的接线端。
本发明的空间推进器包括本发明的电源，对高能冲击磁控溅射中从靶材溅射出的离子进行加速。本发明的空间推进器是用于太空的设备，本身就处于真空的工作环境下。本发明的空间推进器的组成结构以及电路连接方式的示意与图1-4类似，但是，不需要封闭的真空腔体，前述实施方式中的真空腔体C所起的电极作用由一个设置于靶材附近的电极代替就可以了；此外，空间推进器并非与前述实施方式那样用于施加涂层，所以当然也不需要图1-4中所示的基材M。
本发明的电源能够对高能冲击磁控溅射中从靶材溅射出的离子进行加速，从而能够应用于多个领域获得新的技术效果。
以上对本发明的从靶材泵出离子的新型脉动等离子体的电源、离子溅射系统以及空间推进器的实施方式进行了说明，其目的在于解释本发明之精神。请注意，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神的情况下对上述各实施方式的特征进行修改和组合，因此，本发明并不限于上述各实施方式。

Claims (10)

1.一种从靶材泵出离子的新型脉动等离子体的电源，包括前级直流电源模块、脉冲调制器模块以及同步控制器模块(S),所述前级直流电源模块安装在脉冲调制器模块的前端，至少包括第一直流电源模块(A)和第二直流电源模块(B)；所述脉冲调制器模块至少包括第一脉冲调制器模块(H)和第二脉冲调制器模块(I)；第一直流电源模块(A)与第一脉冲调制器模块(H)负责提供高能冲击磁控溅射放电所需的能量；第二直流电源模块(B)与第二脉冲调制器模块(I)负责提供泵出离子形成脉动等离子体所需的能量；第一直流电源模块(A)和第二直流电源模块(B)贮存的能量分别通过第一脉冲调制器模块(H)和第二脉冲调制器模块(I)调制后，以脉冲的方式，泄放到等离子体的发生装置里；同步控制器模块(S)用于对第一脉冲调制器模块(H)和第二脉冲调制器模块(I)进行同步控制。
2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于：该电源用于磁控溅射系统，使得在该磁控溅射系统的真空腔体(C)中，从磁控溅射靶材(T)的溅射面(①)的附近区域(②)批量泵出离子(③)，形成脉动等离子体(④)。
3.根据权利要求1或2所述的电源，其特征在于：所述第一直流电源模块
(A)为稳压电源，该稳压电源可以提供高功率的脉冲磁控溅射所需要的电压及能量，可以使得溅射能够达到高能冲击磁控溅射的功率密度，该稳压电源的直流电压可调，最大的输出电压值不小于600V。
4.根据权利要求1或2所述的电源，其特征在于：所述第二直流电源模块
(B)为稳压电源，能够为泵出脉冲提供稳定的泵出电压，该稳压电源的直流电压可调，最大的输出电压值不小于50V。
5.根据权利要求1或2所述的电源，其特征在于：所述第一脉冲调制器模块(H)和第二脉冲调制器模块(I)的作用是将直流电源模块的直流电压斩波调制成为脉冲电压。
6.根据权利要求1或2所述的电源，其特征在于：所述第一脉冲调制器模块(H)和第二脉冲调制器模块(I)既可以接在直流电源模块的正输出端，也可以接在负的输入端，但是，第一脉冲调制器模块(H)设置于高能冲击磁控溅射放电的回路中；第二脉冲调制器模块(I)设置于泵出回路中。
7.根据权利要求1或2所述的电源，其特征在于：所述同步控制器模块(S)能够发出两组同步脉冲驱动信号分别驱动第一脉冲调制器模块(H)和第二脉冲调制器模块(I)；同步控制器模块(S)所发出的两组同步脉冲不能重叠，能够有效避免第一脉冲调制器模块(H)和第二脉冲调制器模块(I)同时打开造成的短路。
8.根据权利要求1或2所述的电源，其特征在于：所述同步控制器模块(S)能够发出两组同步脉冲驱动信号(P1,P2)分别驱动第一脉冲调制器模块(H)和第二脉冲调制器模块(I)；同步控制器模块(S)所发出的两组同步脉冲(P1,P2)频率相同且可以分别调节脉宽。
9.一种磁控溅射系统，包括根据权利要求1-8中任一项所述的电源。
10.一种空间推进器，包括根据权利要求1-8中任一项所述的电源。
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