CN203096159U

CN203096159U - 全数字高功率单极脉冲磁控溅射电源

Info

Publication number: CN203096159U
Application number: CN 201220111912
Authority: CN
Inventors: 魏殿忠; 魏智博
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2022-03-16

Abstract

本实用新型提供一种全数字式高功率单极脉冲磁控溅射电源，包括EMI滤波电路、三相桥整流电路、低频直流滤波电路、串联谐振逆变电路、储能电路、IGBT组成的固体半导体开关及DSP数字信号处理电路，通过DSP高速数字信号处理电路对各功能电路进行协调，控制管理，使高功率单极脉冲磁控溅射电源有序可靠工作，本实用新型性能稳定、效率高结构简单、寿命长。从而保证膜层质量的稳定性和一致性，通过调整高功率脉冲电源的频率和脉冲宽度，可以制备出不同要求和质量的高致密的膜层。

Description

全数字高功率单极脉冲磁控溅射电源

技术领域

本实用新型属电子技术领域，涉及一种全数字高功率单极脉冲磁控溅射电源，主要用于真空镀膜技术。

背景技术

磁控溅射电源工作于高频变换模式，直流输出，电源电流调整通过改变高频变换的脉冲宽度来实现。磁控溅射电源具有良好的负载特性，性价比高，适用于金属及反应膜层环境使用。目前，磁控溅射镀膜工艺所采用的电源均为直流磁控溅射电源、中频磁控溅射电源和单极脉冲磁控溅射电源，溅射材料主要以中性原子/原子团为主，溅射机理是动能，在一般情况下，电源电压范围在1kv以下，离子能量在几个电子伏特左右，形成的等离子体离化率低，可控性较差，沉积薄膜的质量和性能较难优化。

近年来国外发展了高功率脉冲磁控溅射技术，它的峰值功率是普通磁控溅射的100倍，在单位平方厘米面积上可获得1000～3000W功率。对于大型磁控靶，可产生兆瓦级溅射功率。但是由于脉冲时间短在5～100微秒内，其平均功率与普通磁控溅射相当。也不会增加冷却要求。由此带来的优点是：①在1000～3000W/cm²功率密度下，溅射材料离化率极高，达70％以上，是普通磁控溅射3～5倍；②这个高度离化的束流不含大颗粒；③一般溅射材料能级只有5～10电子伏特，而高功率脉冲磁控溅射材料能级最大可达100电子伏特，因此它的最大优点是可以镀高致密度的膜，而不会使基体表面温度显著增高。高功率脉冲磁控溅射技术已成为磁控溅射研究领域的前沿和热点，但是要使这一技术得以实现，必须研制出符合上述技术要求的高功率磁控溅射电源。

中国专利200610134219.6提供了“一种用于超高功率脉冲非平衡磁控溅射的电源方法”，其采用球隙开关组件和脉冲形成线控制和形成超高功率脉冲放电，实现超功率的脉冲非平衡磁控溅射沉积；使用唯一的一个主电源系统供给多路脉冲形成线组和对应的球系开关组，为不同的非平衡磁控溅射基靶供给高功率脉冲，实现扩展输出；同时实现微机智能控制，频率、参数连续可调，能够防止过流、过压、过热的损坏。该电源方法采用的是球隙开关和脉冲形成线，存在固有的缺点：①球隙开关，开关重复频率低，只有数十Hz，不适合在高重复频率或＞100Hz频率的高功率磁控溅射电源中使用；②球隙开关的开关时长不可控，有抖动，脉冲宽度不可调，在高功率磁控溅射电源中使用存在很大局限性；③触发困难，不稳定，有时要根据不同间隙气体压力反复调整触发电压和电流；④球隙开关寿命短，经常需要维护；⑤体积大、效率低、笨重，对安装环境和空间有严格要求。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种性能稳定、效率高、结构简单，寿命长的全数字高功率单极脉冲磁控溅射电源。

本实用新型是通过下述几个关健技术加以实现。关键技术之一，串联式谐振逆变充电电源，关键技术之二，由IGBT(绝缘栅极双极型晶体管)组成的固体半导体开关；关键技术之三，由电感电容组成的储能网络；关键技术之四，由DSP(高速数字信号处理器)组成的控制核心，下面分别叙述各自关键技术的功能与特征：

1、串联式谐振逆变充电电源，如附图(C框区域)它由谐振电感LX，谐振电容CX和IGBT(绝缘栅双极晶体管)V₁、V₂、V₃、V₄组成逆变桥，谐振电流通过一个高频升压变压器T输出，高频整流向由电感LD₁，电容CD₁组成储能网络充电。在本实用新型发明之前，向储能网络充电的电源多采用工频直流电源(包括200610134219专利)，由于储能网络是阻抗变化巨大的负载，在充电起始阶段接近短路，阻抗几近为0，充电结束时充电电流非常小，阻抗驱于无穷大，为了克服恒压充电、电流变化巨大易给充电电源造成损坏，往往是在负载与充电电源之间串一个大功率电阻，进行限流，这样就会带来限流电阻发热充电电源效率低，＜50％，体积庞大、笨重。随着磁控溅射电源重复频率的提高，脉冲功率的扩大，上述低效率、体积庞大、笨重的恒压充电方式已很难满足实际应用，对此提出本实用新型的技术路线——串联谐振逆变充电电源。它具有恒流充电特性、体积小，效率高，可靠稳定，功率密度大，不怕短路，适合宽范围阻抗变化的负载，是非常理想的充电电源。

2、一种全数字高功率单极脉冲磁控溅射电源，其特征在于：包括EMI滤波电路、三相桥整流电路、低频直流滤波电路、串联谐振逆变充电电路、储能电路、IGBT组成的固体半导体开关及DSP数字信号处理电路；所述EMI滤波电路的输入端为总输入端，连接三相五线制交流电源，输出端接三相桥整流电路的输入端；三相桥整流电路的输出端接低频直流滤波电路的输入端，低频直流滤波电路的输出端接串联谐振逆变充电电路的输入端；串联谐振逆变充电电路的输出端通过高频升压变压器(T)接储能电路的输入端；储能电路的输出端接IGBT组成的固体半导体开关；IGBT组成的固体半导体开关的输出端为总输出端；所述DSP数字信号处理电路分别与上述各功能电路通讯连接。

3、全数字高功率单极脉冲磁控溅射电源，其特征在于：所述串联谐振逆变充电电路：包括串联的电容CX、电感LX和四个IGBT组成的谐振全桥，谐振全桥臂中心做为输出端，接谐振电容和升压变压器输入端，其中IGBT的集电极接直流滤波电路输出正端，发射极直接接低频直流滤波电路的输出负端，栅极接DSP数字信号处理电路的输出端。

4、全数字高功率单极脉冲磁控溅射电源，其特征在于：所述储能电路的结构，包括储能电感LD₁、储能电容CD₁，LD₁和CD₁组成倒L型储能网络，其连接点是输出端，储能电感LD₁输入端接高频整流桥正输出端，储能电容CD₁接高频整流桥负输出端。

5、全数字高功率单极脉冲磁控溅射电源，其特征在于：所述IGBT组成的固体半导体开关的电路结构：包括IGBT VF₁和反并联二极管DF₂，其IGBT集电极接储能电路输出端，发射极接高功率单极脉冲最终输出端，栅极接DSP数字信号处理器。

6、VF₁、DF₂组成的固体半导体开关，如附图(E框区域)，前述已说明球隙开关存在诸多缺点，在高功率高重复频率的脉冲磁控溅射电源中已不适用，甚至不可实现，随着IGBT的技术进步，高压大电流IGBT已经成熟，并有产品可应用，采用IGBT的组合作为放电固体半导体开关，与球隙开关比较具有如下优点：①开关重复频率高，可在0～20KHz范围内调节，能满足高功率脉冲磁控溅射电源的需要；②由于IGBT是可控器件，开关频率脉冲宽度可任意在线连续可调；③触发容易，并可通过触发电路对IGBT进行保护；④器件开关寿命长、稳定、可靠；⑤体积小，易安装、易维护，对环境无特殊要求。

7、电感LD₁、电容CD₁组成的储能网络，如附图(D框区域)，它由储能电感LD₁和储能电容CD₁组成倒L型网络，每个这样的网络称为一阶储能网络，网络阶数越多，储能越大，并且脉冲的峰值平坦度越好，通过调整LD₁、CD₁参数，可以改变储能网络的阻抗特性，使之与负载最佳匹配。

8、DSP高速数字信号处理器组成的控制电路，如附图1，(DSP框区域)，它由DSP和外围电路组成，嵌入式结构，其功能：①利用其强大的运算功能，完成串联谐振逆变充电电源、PID数字调节器的运算功能，PWM脉宽调制功能；②完成固态半导体开关IGBT 的频率、脉冲宽度在线连续调整；③完成磁控溅射电源的智能控制，包括本地、远程监控、故障告警、过压、过流、过热保护等。

附图说明

附图为本实用新型的电路结构图。

具体实施方式

本实用新型主要由EMI滤波电路、三相桥整流电路、直流滤波电路、串联谐振逆变充电电路、储能电路、IGBT组成的固体半导体开关等组成。

下面结合附图对本实用新型具体实施方式作进一步描述。

三相五线制交流电源(L₁、L₂、L₃、N、保护地)经EMI滤波器(附图A区域)进入三相整流桥(附图B区域)，获得直流电压，再经低频滤波，送入由(附图C区域)组成的串联谐振逆变全桥，该逆变全桥有三种工作模式，本实用新型选择谐振电流工作于断续模式；此种模式，开关器件IGBT在零电流情况下导能、关断、具有较小的开关损耗与干扰，属于软开关工作模式，当输入电压与开关频率恒定时，可实现储能网络恒流充电，充电电流与电容器电压无关，具有抗负载短路能力，这正是本实用新型的最主要特征。串联谐振逆变全桥将20KHz功率脉冲通过高频升压变压器，传输给高频整流器，获得充电电压，向(附图D区域)电感、电容组成的储能网络充电，储能的大小，根据负载的要求而定，一阶储能不够可选择2阶或更高阶数，由固体半导体器件IGBT组成的放电开关(附图E区域)，将储能网络的能量按不同频率和脉宽瞬时放电给负载，使负载获得极高功率脉冲，进行磁控溅射沉积。DSP高速数字信号处理器(附图DSP区域)是高功率脉冲磁控溅射电源的核心，任务是：①数字PID的运算；②PWM脉宽调制信号的产生；③开关频率脉冲宽度的调整；④高压信号采集，检测充电电源的运行状态，包括过压、过流、过热、IGBT故障；⑤经485串行口向上位机双向传输摸拟量，状态量，上位机通过界面实现充电电源固态半导体开关参数设置，充电电源固态半导体开关状态的实时显示，实现全过程数字化控制与管理。基于对全数字高功率单极脉冲磁控溅射电源基本结构、设计理念和思想的描述，结合发明人承担第一汽车集团技术中心“真空气相沉积仪”项目，实施了本实用新型，结果证明在汽车发动机、运动部件所沉积DLC膜(类金刚石膜)，具有膜层坚固、致密、耐磨、耐高温特性。

Claims

1.一种全数字高功率单极脉冲磁控溅射电源，其特征在于：包括EMI滤波电路、三相桥整流电路、低频直流滤波电路、串联谐振逆变充电电路、储能电路、IGBT组成的固体半导体开关及DSP数字信号处理电路；所述EMI滤波电路的输入端为总输入端，连接三相五线制交流电源，输出端接三相桥整流电路的输入端；三相桥整流电路的输出端接低频直流滤波电路的输入端，低频直流滤波电路的输出端接串联谐振逆变充电电路的输入端；串联谐振逆变充电电路的输出端通过高频升压变压器(T)接储能电路的输入端；储能电路的输出端接IGBT组成的固体半导体开关；IGBT组成的固体半导体开关的输出端为总输出端；所述DSP数字信号处理电路分别与上述各功能电路通讯连接。

2.如权利要求1所述全数字高功率单极脉冲磁控溅射电源，其特征在于：所述串联谐振逆变充电电路：包括串联的电容CX、电感LX和四个IGBT组成的谐振全桥，谐振全桥臂中心做为输出端，接谐振电容和升压变压器输入端，其中IGBT的集电极接直流滤波电路输出正端，发射极直接接低频直流滤波电路的输出负端，栅极接DSP数字信号处理电路的输出端。

3.如权利要求1所述全数字高功率单极脉冲磁控溅射电源，其特征在于：所述储能电路的结构，包括储能电感LD₁、储能电容CD₁，LD₁和CD₁组成倒L型储能网络，其连接点是输出端，储能电感LD₁输入端接高频整流桥正输出端，储能电容CD₁接高频整流桥负输出端。

4.如权利要求1所述全数字高功率单极脉冲磁控溅射电源，其特征在于：所述IGBT组成的固体半导体开关的电路结构：包括IGBT VF₁和反并联二极管DF₂，其IGBT集电极接储能电路输出端，发射极接高功率单极脉冲最终输出端，栅极接DSP数字信号处理器。