CN1465739A - 真空电弧自动引弧方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多弧离子镀真空电弧自动引弧方法及装置，该方法可以在镀膜开始，进行自动引弧；在镀膜过程中，电弧熄灭或有熄灭的趋势时，由反馈环节检测电弧工作电压并反馈至引弧信号控制单元，由其作出比较并及时发出自动引弧信号，从而保证薄膜沉积过程的顺利进行，消除由于电弧熄灭而造成的反应气体气压的波动而造成的对薄膜成分、结构、色彩影响的不利因素；本发明的装置是采用反馈单元检测电弧工作状态并将其作为识别信号用于控制单元作出判断是否发出引弧信号；该装置采用电触发引弧代替机械引弧；避免了使用引弧棒(丝)等机械方式引弧造成的污染、也可以避免引弧丝与阴极粘连所造成的失效问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种多弧离子镀的电弧引弧方法及装置，尤指一种真空电弧自动引弧方法及装置。
背景技术
多弧离子镀是一种高效率的薄膜沉积技术，它是通过高密度高离化率的真空等离子体镀膜的一种气相沉积技术。为了引燃电弧，通常采用机械手段进行电弧的触发，但是传统的电磁铁自动引弧装置容易出现粘丝等不良现象。而且，采用引弧棒引弧，可能造成引弧棒烧损，使得薄膜受到其他元素的污染。因此，为了得到高质量的薄膜，如在半导体行业，需要对引弧技术进行改进。
在薄膜沉积过程中，通常由于各种原因，如靶材表面状况，电源波动等，会造成意外地电弧熄灭。因为参与镀膜的成分通常还包括气相部分，短时间的电弧熄灭通常也会造成镀膜气压的波动。从而引起膜层成分的波动，使得结构、成分出现偏差，影响镀件的性能；也会使产品颜色出现差异，影响产品的外观质量。
本发明的内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的缺点而提供一种在镀膜开始时可自动引弧，在镀膜过程中出现熄弧或熄弧的趋势时，重新快速自动引弧，可大大减少完全熄弧的次数，避免了因熄弧而造成的膜的成分、结构不均匀，可消除颜色偏差的真空电弧自动引弧方法。
本发明的另一目的还在于提供一种取代机械引弧装置的真空电弧自动引弧装置。
本发明的目的可通过如下措施来实现：
真空电弧在沉积过程中，在真空阴极表面，电弧等离子体实际上是由许多小斑点组成。在电弧有熄灭趋势时，并不是所有的斑点同时熄灭，而是部分斑点熄灭，而斑点的熄灭通常会造成电弧电压的升高；本发明正是利用这一特性采用感应元件将这一变化测量后反馈作为一比较信号来控制电弧的自动重新引弧。
一种真空电弧自动引弧方法，包括下述步骤：
(1)在离子镀镀膜过程中出现熄弧或熄弧趋势时，利用电弧电压波动判断电弧工作状态，决定是否重新引弧；即由一反馈环节检测主电源的电弧工作电压VW，并将该电压反馈至一引弧信号控制环节，由该控制环节将主电源的电弧工作电压VW与一参考电压fVW进行比较，当电弧工作电压VW大于参考电压fVW时，则该控制环节发出重新引弧信号将高压加至引弧元件两端，引燃电弧；所述的参考电压fVW中的系数f为1至Vi/VW，Vi为主电源空载电压；
(2)当电弧引燃后，反馈环节检测到的电弧工作电压VW小于等于参考电压fVW时，则控制环节停止发出引弧信号。
所述的引弧信号控制环节还包括一高压环节和一脉冲触发控制环节。
另在主电源上还设有高压过滤保护环节。
本发明的另一目的还可通过如下措施来实现：
一种真空电弧自动引弧装置包括一反馈单元、一控制单元；其中反馈单元的输入端与离子镀的电弧工作主电源的输出端相连，主电源的输出端还通过控制单元与引弧元件的两端相连，而反馈单元的输出端与控制单元的比较输入端相连，控制单元的比较输入端还与一参考电压相连。
所述的控制单元还包括一高压单元和一脉冲触发控制单元，电弧工作主电源与控制单元的高压单元相连，反馈单元的电信号与控制单元的脉冲触发控制单元的比较输入端相连；高压单元通过脉冲触发控制单元的的开关电路与引弧元件相连。
所述的开关电路为一晶闸管。
所述的高压单元包括升压、高压整流、高压储能调节、高压能量存储、高压放电控制电路。
该装置还包括一高压过滤保护单元，该单元跨接在主电源的输出端与引弧电极之间。
所述的反馈单元是由电弧电压检测电路及其嵌位电路组成。
本发明相比现有技术具有如下优点：
1、通过本发明的方法及装置可在离子镀镀膜开始时自动引弧，在镀膜过程中出现熄弧或熄弧趋势时，重新快速自动引弧，可大大减少完全熄弧的次数，从而避免了因熄弧而产生的气压波动造成膜的成份、结构的不均匀性，消除了颜色的偏差。
2、本发明采用电触发的方式引弧代替机械式引弧，避免了使用引弧棒、丝等机械引弧造成的污染，也避免了引弧丝与阴极粘连所造成的失效问题。
附图说明
图1是本发明所应用的90°弯曲弧磁过滤器
1-引弧电极 2-引弧元件 3-弯曲磁场线圈 4-弯曲管道
5-聚焦磁场线圈 6-阴极 7-通气孔
图2是本发明的自动引弧电路原理图
图3(a)(b)是本发明的反馈单元电路图
图4是本发明的主电源和自动引弧系统的工作时序波形图
图5是本发明的主电源和自动引弧系统的同步工作时序波形图
本发明的实施方式
本发明还将结合附图对实施例作进一步详述：
一种真空电弧自动引弧方法，包括下述步骤：
(1)在离子镀镀膜开始及在镀膜过程中出现熄弧或熄弧趋势时，利用电弧电压波动判断电弧工作状态，决定是否重新引弧；即由一反馈环节检测主电源的电弧工作电压VW，并将该电压反馈至一引弧信号控制环节，所述的引弧信号控制环节还包括一高压环节和一脉冲触发控制环节；由该控制环节将主电源的电弧工作电压VW与一参考电压fVW进行比较，当电弧工作电压VW大于参考电压fVW时，则该控制环节发出重新引弧信号将高压加至引弧元件2的两端，引燃电弧；所述的参考电压fVW中的系数f为1至Vi/VW，Vi为主电源空载电压；
(2)当电弧引燃后，反馈环节检测到的电弧工作电压VW小于等于参考电压fVW时，则控制环节停止发出引弧信号。
另在主电源上还设有高压过滤保护环节。
本发明除用于多弧离子镀外，还可以用在其它真空电弧源上。引弧电极1通过引弧元件2在阴极6一侧发出引弧脉冲，点燃电弧，等离子体在磁场的驱动下，推到前端面，开始工作。图1为符合本发明应用的一个例子。由阴极6、引弧电极1、引弧元件2等组成的真空电弧源安装在由弯曲磁场线圈3和弯曲管道4组成的90度的弯曲磁过滤器上。阴极材料可选用钛、铜、碳等，或者是其他导电材料或非金属材料。
图2为本发明的自动引弧电路原理图。结合图2、3，来说明本发明的装置。一种真空电弧自动引弧装置包括一反馈单元、一控制单元；其中控制单元还包括一高压单元和一脉冲触发控制单元；电弧工作主电源与控制单元的高压单元的引弧元件相连，升压变压器输出电压经整流后由其储能调节电阻调节后向高压储能电容充电，高压储能电容通过放电控制电阻与脉冲触发控制单元的晶闸管即可控硅相连；其中反馈单元的输入端与离子镀的电弧工作主电源的输出端相连，反馈单元的输出电信号与控制单元的脉冲触发控制器的比较输入端相连；一参考电压也与脉冲触发控制器的比较输入端相连，由脉冲控制器将反馈单元的输出信号与参考电压比较后输出控制脉冲发生器是否触发脉冲的信号，脉冲发生器的信号可用于控制晶闸管的开关。
另在在主电源的输出端与引弧电极1之间还连有一高压过滤保护单元。
所述的反馈单元是由电弧电压检测电路及其嵌位电路组成。
参照图3a为本发明的反馈单元的一实施例，其中电压检测电路是由可调电阻R401、电阻R402及稳压二极管Z401组成，稳压管Z402构成嵌位电路；反馈单元的输出端与主电源的输出端即电弧两端相连，其输出端与控制单元的脉冲控制器相连。
参照图3b为本发明的反馈单元的另一实施例，其中电压检测电路由可调电阻R401、R404、电阻R402、R403及稳压管Z401、Z402、二极管D401、D402、三极管N401组成；稳压管Z403构成嵌位电路。图3b的反馈电路的负载能力增强。
上述反馈单元和控制单元还可采用与其相关的衍生电路，或采用其他公知电路。
下面再结合附图4、5来说明本发明的装置的工作时序。图4、5中1为主电源电压波形曲线、2为引弧脉冲、3为高压储能元件电压波形、4为控制单元信号曲线、5为引弧脉冲触发信号曲线、6为脉冲发生器脉冲输出波形曲线。
参照图4，在t0时刻，主电源打开，准备好工作后，控制单元输出高电平控制单元信号，发出触发指令(曲线4)，同时高压储能元件被充电(曲线3)，但由于引弧脉冲触发信号以及脉冲发生器延时，在t1时刻才打开。因此，t0时刻并没有引弧脉冲触发信号(曲线5)和引弧脉冲(曲线2)。在t1时刻，延时后的脉冲发生器开始连续发出触发脉冲(曲线6)。此时由于控制单元信号仍然为高电平(曲线4)，使脉冲发生器发出的脉冲获得通过，在t1时刻，获得第一个引弧脉冲触发信号(曲线5)；晶闸管被触发，高压储能组件放电(曲线3)，因此，t1时刻，获得第一个引弧脉冲(曲线2)。此时，如果已经引燃了电弧，主电源电压下降(曲线1)，在t3时刻，放电后的高压储能元件电压不足以维持晶闸管导通，晶闸管自动关断。高压储能组件再次开始充电，直到第二个引弧脉冲触发信号到来，发出第二个触发信号。这样周而复始。当主电源电压由空载电压Vi下降到fVw的时候(在t3)，控制单元输出低电平(曲线4)，将脉冲发生器的脉冲信号(曲线6)滤掉。高压储能元件重新储能，处于高电位。如果在镀膜中，发生了熄弧，或者部分熄弧，控制单元发现主电源电压(曲线1)上升到fVw的时候(在时间t4处)，跳转为高电平(曲线4)，脉冲发生器的信号通过，重新发出引弧触发信号(曲线5)，高压储能元件放电(曲线3)，发出引弧脉冲(曲线2)，在时间t5处，电弧被引燃，主电源电压下降，在主电源电压到达fVw后，控制单元翻转为低电平，重新引弧过程结束。
镀膜结束后，主电源关闭，脉冲发生器停止发出脉冲，高压储能元件慢慢放电。
从上面的触发过程，可以看出，适当选取fVw，可以使得电弧在即将熄灭(或者部分熄灭)的同时，发出再引弧指令，从而起到快速引弧的作用，也可以起到防止熄弧的作用。使得镀膜过程非常平滑。
需要指出的是，引弧所用的脉冲发生器结合控制单元信号，也可以工作在类似方法的其它的组合方式。图5给出了另外一种脉冲工作方式时序图。图中：
1：主电源电压波形曲线；
2：引弧脉冲；
3：高压储能元件电压波形；
4：控制单元信号曲线；
5：引弧脉冲触发信号曲线；
6：脉冲发生器脉冲输出波形曲线。
图5中，脉冲发生器产生的信号和控制单元信号同步，也是当反馈单元发现电源电压高于fVw后，控制单元信号变为高电平(曲线4)，同时，脉冲发生器开始发出脉冲(曲线6)，发出的脉冲作为引弧脉冲触发信号(曲线5)，触发高压晶闸管，高压储能元件放电(曲线3)；发出引弧脉冲(曲线2)，引燃电弧。
图3a和图3b给出的两个快速反馈电路原理图的例子。电阻R401和R402决定不同的系数f。从电路原理图3a中得出：
fVw/(Uz401+Uoutput)＝(R401+R402)R402
f＝(Uz401+Uoutput)(R401+R402)/(R402Vw)
Vw随着不同的阴极材料和等离子流不同而改变，R401可以手工调节。
采用本发明，使用结果良好，使得镀膜过程非常平稳，完全熄弧的次数大大减小，重新引弧的时间非常快，通常不易察觉。使得镀膜过程及其平稳。
Claims (9)
1、一种真空电弧自动引弧方法，包括下述步骤：
(1)在离子镀镀膜过程中出现熄弧或熄弧趋势时，利用电弧电压波动判断电弧工作状态，决定是否重新引弧；即由一反馈环节检测主电源的电弧工作电压VW，并将该电压反馈至一引弧信号控制环节，由该控制环节将主电源的电弧工作电压VW与一参考电压fVW进行比较，当电弧工作电压VW大于参考电压fVW时，则该控制环节发出重新引弧信号将高压加至引弧元件(2)的两端，引燃电弧；所述的参考电压fVW中的系数f为1至Vi/VW，Vi为主电源空载电压；
(2)当电弧引燃后，反馈环节检测到的电弧工作电压VW小于等于参考电压fVW时，则控制环节停止发出引弧信号。
2、如权利要求1所述的真空电弧自动引弧方法，其特征在于所述的引弧信号控制环节还包括一高压环节和一脉冲触发控制环节。
3、如权利要求2所述的真空电弧自动引弧方法，其特征在于在主电源上还设有高压过滤保护环节。
4、一种真空电弧自动引弧装置，其特征在于该装置包括一反馈单元、一控制单元；其中反馈单元的输入端与离子镀的电弧工作主电源的输出端相连，主电源的输出端还通过控制单元与引弧元件(2)相连，而反馈单元的输出端与控制单元的比较输入端相连，控制单元输入端还与一参考电压相连。
5、如权利要求4所述的真空电弧自动引弧装置，其特征在于所述的控制单元还包括一高压单元和一脉冲触发控制单元，电弧工作主电源与控制单元的高压单元相连，反馈单元的电信号与控制单元的脉冲触发控制单元的比较输入端相连；高压单元通过脉冲触发控制单元的的开关电路与引弧元件(2)相连。
6、如权利要求5所述的真空电弧自动引弧装置，其特征在于所述的开关电路为一晶闸管。
7、如权利要求5所述的真空电弧自动引弧装置，其特征在于所述的高压单元包括升压、高压整流、高压储能调节、高压能量存储、高压放电控制电路。
8、如权利要求4所述的真空电弧自动引弧装置，其特征在于该装置还包括一高压过滤保护单元，该单元跨接在主电源的输出端与引弧电极(1)之间。
9、如权利要求4所述的真空电弧自动引弧装置，其特征在于所述的反馈单元是由电弧电压检测电路及其嵌位电路组成。
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