TWI748401B - 從靶材泵出離子的新型脈動等離子體的電源及使用該電源之磁控濺射系統和空間推進器 - Google Patents

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Abstract

一種從靶材泵出離子的新型脈動等離子體的電源及使用該電源之磁控濺射系統和空間推進器，包括前級直流電源模組、脈衝調製器模組及同步控制器模組，前級直流電源模組至少包括第一直流電源模組和第二直流電源模組; 脈衝調製器模組至少包括第一脈衝調製器模組和第二脈衝調製器模組；第一直流電源模組與第一脈衝調製器模組提供高能衝擊磁控濺射放電所需的能量；第二直流電源模組與第二脈衝調製器模組提供泵出離子形成脈動等離子體所需的能量；兩個直流電源模組貯存的能量分別通過第一脈衝調製器模組和第二脈衝調製器模組調製後，以脈衝的方式，洩放到等離子體的發生裝置裡；同步控制器模組對脈衝調製器模組進行同步控制。本發明能夠對高能衝擊磁控濺射中從靶材濺射出的離子進行加速。

Description

從靶材泵出離子的新型脈動等離子體的電源及使用該電源之磁控濺射系統和空間推進器
本發明涉及低溫等離子體及應用領域，具體涉及用於產生等離子體的電源。
原子排列的構型決定材料的性能，世界上，尤其是近五十年來，科學家一直嘗試俘獲、操控、控制單個原子，以受控方式操控單個原子的相關研究已多次獲諾貝爾獎。但是，通過單原子操控來獲得宏觀材料遠不現實，等離子體離子流操控有望實現這一目的手段。
批量從固態材料獲得原子已不成問題，如利用輝光放電的直流磁控濺射（dcMS），就可將靶材原子從固態批量撞出來。然而，dcMS的離化率低，被撞出來的粒子通常以原子為主，離化率通常小於5%。如能將撞出來的原子離化成離子，並將其中的離子取出來，則可獲得具有高自由能的荷電粒子，而荷電粒子是製備新材料、尤其是製備高能量勢壘新材料的關鍵技術之一。
1999年出現的高能衝擊磁控濺射（HiPIMS：High-Power Impulse Magnetron Sputtering）技術將dcMS濺射出的粒子離化率大大增加，可以獲得大量的荷電粒子。使得沉積中繞射性、可控性等大大增強，引起世界的關注，紛紛開展相關研究。但很快人們發現HiPIMS沉積速度卻只有dcMS的20~80%。提高HiPIMS的沉積速率，深入理解等離子體工作模式等，是近10年來的國際研究熱點。
人們研究發現，HiPIMS雖然能夠提高濺射出來的原子的離化率，將離化率提高到甚至的80%以上，但是，由於靶材上面施加的是負脈衝，因此，離子實際上是不停受到靶材的負電壓的吸引，處於一個減速電場（Retarding Field）中，因此，很難到達基材。同時，也造成了沉積速率的下降。
本發明之目的之一在於提供一種新型電源，其能夠對高能衝擊磁控濺射中從靶材濺射出的離子進行加速。
本發明之另一目的在於提供一種新型電源，其能夠提高高能衝擊磁控濺射的沉積速率。
本發明之另一目的在於將上述之電源用於磁控濺射系統，其能夠提高高能衝擊磁控濺射的沉積速率。
本發明之另一目的在於將上述之電源用於空間推進器，其能夠對高能衝擊磁控濺射中從靶材濺射出的離子進行加速。
本發明所提供的一種從靶材泵出離子的新型脈動等離子體的電源，包括前級直流電源模組、脈衝調製器模組以及同步控制器模組, 所述前級直流電源模組安裝在脈衝調製器模組的前端，至少包括第一直流電源模組和第二直流電源模組; 所述脈衝調製器模組至少包括第一脈衝調製器模組和第二脈衝調製器模組；第一直流電源模組與第一脈衝調製器模組負責提供高能衝擊磁控濺射（HiPIMS）放電所需的能量；第二直流電源模組與第二脈衝調製器模組負責提供泵出離子形成脈動等離子體所需的能量；第一直流電源模組和第二直流電源模組貯存的能量分別通過第一脈衝調製器模組和第二脈衝調製器模組調製後，以脈衝的方式，洩放到等離子體的發生裝置裡；同步控制器模組用於對第一脈衝調製器模組和第二脈衝調製器模組進行同步控制。
作為優選方式，該電源用於磁控濺射系統，使得在該磁控濺射系統的真空腔體中，從磁控濺射靶材的濺射面的附近區域批量泵出離子，形成脈動等離子體。
作為優選方式，所述第一直流電源模組為穩壓電源，該穩壓電源可以提供高功率的脈衝磁控濺射所需要的電壓及能量，可以使得濺射能夠達到高能衝擊磁控濺射的功率密度，該穩壓電源的直流電壓可調，最大的輸出電壓值不小於600V(伏特)。
作為優選方式，所述第二直流電源模組為穩壓電源，能夠為泵出脈衝提供穩定的泵出電壓，該穩壓電源的直流電壓可調，最大的輸出電壓值不小於50V(伏特)。
作為優選方式，所述第一脈衝調製器模組和第二脈衝調製器模組的作用是將直流電源模組的直流電壓斬波調製成為脈衝電壓。
作為優選方式，所述第一脈衝調製器模組和第二脈衝調製器模組既可以接在直流電源模組的正輸出端，也可以接在負的輸入端，但是，第一脈衝調製器模組設置於高能衝擊磁控濺射放電的回路中；第二脈衝調製器模組設置於泵出回路中。
作為優選方式，所述同步控制器模組能夠發出兩組同步脈衝驅動信號分別驅動第一脈衝調製器模組和第二脈衝調製器模組；同步控制器模組所發出的兩組同步脈衝不能重疊，能夠有效避免第一脈衝調製器模組和第二脈衝調製器模組同時打開造成的短路。
作為優選方式，所述同步控制器模組能夠發出兩組同步脈衝驅動信號分別驅動第一脈衝調製器模組和第二脈衝調製器模組；同步控制器模組所發出的兩組同步脈衝頻率相同且可以分別調節脈寬。
作為優選方式，所述同步控制器模組能夠發出兩組同步脈衝驅動信號分別驅動第一脈衝調製器模組和第二脈衝調製器模組；同步控制器模組所發出的同步脈衝P1的脈寬最小不小於3µs(微秒)，最大不大於500µs(微秒) ；同步控制器模組所發出的同步脈衝P2的脈寬最小不小於5µs(微秒)。
作為優選方式，所述同步控制器模組能夠發出兩組同步脈衝驅動信號分別驅動第一脈衝調製器模組和第二脈衝調製器模組；同步控制器模組所發出的同頻率的同步脈衝之間的時間間隔最小為0s(零秒)，最大時間間隔不大於2ms(微秒)。
作為優選方式，所述前級直流電源模組、脈衝調製器模組及同步控制器模組三部分可以集成在同一個主機殼內或者分別排列組合，也可以將這三部分具有分別功能的電路製備在同一塊電路板上。
另一方面，本發明提供一種磁控濺射系統，其包括前述的電源。
另一方面，本發明提供一種空間推進器，其包括前述的電源。
本發明在HiPIMS技術的基礎上，提供了一種從靶材泵出離子的新型脈動等離子體的電源，通過該電源脈衝快速切換，在HiPIMS的濺射出金屬原子並進行離化後，把使得離子難以逃離靶材的負的脈衝電壓造成的離子向基片運動的減速電場（Retarding Field）快速切換成成正電壓脈衝，變成促使離子向外加速的加速電場。從而，使本來受靶吸引的離子變成受靶材的排斥，將金屬離子源源不斷地以脈衝方式從HiPIMS放電的離化區域“泵”出來，形成脈動等離子體。該電源不僅能夠用於塗層沉積，還可以用於將離子加速噴射出去，用於空間的推進器等領域。
與現有技術相比，本發明能夠對高能衝擊磁控濺射中從靶材濺射出的離子進行加速，從而能夠在多個領域獲得新的技術效果，例如，能夠加速離子濺射系統的塗層沉積速率，也能夠應用於空間推進器對高能衝擊磁控濺射中從靶材濺射出的離子進行加速。
在下文中，將參照附圖描述本發明的從靶材泵出離子的新型脈動等離子體的電源、離子濺射系統、以及空間推進器的實施方式。
在此記載的實施方式為本發明的特定的具體實施方式，用於說明本發明的構思，均是解釋性和示例性的，不應解釋為對本發明實施方式及本發明範圍的限制。除在此記載的實施方式外，本領域技術人員還能夠基於本申請權利要求書和說明書所公開的內容採用顯而易見的其它技術方案，這些技術方案包括採用對在此記載的實施方式的做出任何顯而易見的替換和修改的技術方案。
本說明書的附圖為示意圖，輔助說明本發明的構思，示意性地表示各部分的形狀及其相互關係。請注意，為了便於清楚地表現出本發明實施方式的各部件的結構，各附圖之間不一定按照相同的比例繪製。相同的參考標記用於表示相同或相似的部分。
圖1為本發明的一種從靶材泵出離子的新型脈動等離子體的電源的組成結構示意圖。
如圖1所示，本發明的從靶材泵出離子的新型脈動等離子體的電源包括前級直流電源模組、脈衝調製器模組以及同步控制器模組S。前級直流電源模組安裝在脈衝調製器模組的前端，至少包括兩個直流電源模組：第一直流電源模組A和第二直流電源模組B。脈衝調製器模組是脈衝控制器，至少包括兩個脈衝調製器模組：第一脈衝調製器模組H和第二脈衝調製器模組I，即至少包括兩個脈衝控制器H和I。第一直流電源模組A與第一脈衝調製器模組H負責提供HiPIMS放電所需的能量；第二直流電源模組B與第二脈衝調製器模組I負責提供泵出離子形成脈動等離子體所需的能量；第一和第二直流電源模組A、B貯存的能量，分別通過第一和第二脈衝調製器模組H、I調製後，以脈衝的方式，洩放到等離子體的發生裝置裡。同步控制器模組S用來對第一和第二脈衝調製器模組H、I進行同步控制。該電源最終能夠在真空腔體C中，從磁控濺射靶材T的濺射面1的附近區域2批量泵出離子3，形成脈動等離子體4。脈動等離子體4噴射到基材M的表面上。
第一直流電源模組A可以提供高功率的脈衝磁控濺射所需要的電壓及能量，可以使得濺射能夠達到HiPIMS的功率密度，其電壓可調，最大的輸出電壓值不小於600V(伏特)。
第一直流電源模組A可以是各種公知的方法獲得的直流電源模組，其特點是能夠輸出一端為正，一端為負的直流電壓。試驗的狀態下，該直流電壓可調節，但是一旦確定了等離子體放電的參數，也可以在靶材等固定的情況下，採用某一不可調電壓的直流電源模組。
第二直流電源模組B為泵出脈衝提供穩定的泵出電壓，其直流電壓可調，最大的輸出電壓值不小於50V(伏特)。
第二直流電源模組B可以是各種公知的方法獲得的直流電源模組，其特點是能夠輸出一端為正，一端為負的直流電壓。該電壓可以調節，但是一旦確定了等離子體放電的參數，也可以採用某一特定的電壓。
第一和第二脈衝調製器模組H、I的作用是可以通過脈衝控制開和關的開關，可以將直流電源模組的直流斬波調製成為脈衝。
第一和第二脈衝調製器模組H、I的開關可以是電晶體開關也可以是IGBT開關（圖2、圖3、圖4所示），也可以是晶閘管等所公知的電子元器件製成的，其特點是可以通過脈衝打開和關閉。
圖2 為電路連接方式示例1，其中，第一和第二脈衝調製器模組H、I採用IGBT，並分別連接到第一直流電源模組A的正輸出端和第二直流電源模組B的負輸出端。
圖2所示的結構是以電源應用到濺射系統為例，在該示例中，採用IGBT作為脈衝調製器模組開關器件製備本發明的從靶材泵出離子的新型脈動等離子體的電源。前級的第一直流電源模組A的正輸出端連接第一脈衝調製器模組H的輸入端，然後經第一脈衝調製器模組H調製後經其輸出端連接到磁控濺射的作為磁控濺射陽極的真空腔體C上。前級的第一直流電源模組A的負輸出端與第二直流電源模組B的正輸出端相連後與磁控濺射靶材T連接。第二直流電源模組B的負輸出端連接第二脈衝調製器模組I的輸出端，第二脈衝調製器模組I輸入端連接到作為陽極的真空腔體C上。同步控制器模組S輸出的同步脈衝信號P1連接到第一脈衝調製器模組H的控制端。第二脈衝調製器模組I的輸入端連接到作為陽極的真空腔體C上。同步控制器模組S輸出的同步脈衝信號P2連接到第二脈衝調製器模組I的控制端。對兩路調製信號調製的脈衝進行同步及移相操作。
磁控濺射系統抽真空，達到背底真空，供應氣體，將磁控濺射系統的氣壓控制在磁控濺射HiPIMS放電常用的氣壓下，饋入氣體達到磁控濺射的工作氣壓範圍後，開啟電源，即可實現磁控濺射靶材T的HiPIMS放電及其隨後的離子泵出。該電源最終能夠在真空腔體C中，從磁控濺射靶材T的濺射面1附近的HiPIMS附近區域2，即一放電區域批量泵出離子3，形成脈動等離子體4。
圖3 為電路連接方式示例2，其中，第一和第二脈衝調製器模組H、I採用IGBT，並分別連接到第一直流電源模組A的負輸出端和第二直流電源模組B的正輸出端。圖3所示的結構的操作方式與圖2所示結構的操作方式類似，具有相同的技術效果。
圖4為電路連接方式示例3，其中，第一和第二脈衝調製器模組H、I採用IGBT，並分別連接到直流電源模組的正輸出端。圖的所示的結構的操作方式與圖2所示結構的操作方式類似，具有相同的技術效果。
第一和第二脈衝調製器模組H、I的連接位置是可以變化的，雖然圖2、圖3、圖4分別給出了一種連接方式示例，但是，並沒有全部枚舉出連接方式。其特徵是第一脈衝調製器模組H只要在HiPIMS放電的回路中即可；第二脈衝調製器模組I只要在泵出回路中即可。
第一和第二脈衝調製器模組H、I既可以接在直流電源模組的正輸出端，也可以接在直流電源模組負的輸入端。
第一脈衝調製器模組H負責將第一直流電源模組A提供的直流電壓斬波成脈衝直流電壓，饋送給等離子體放電裝置。其中，直流脈衝電壓的負極連接磁控濺射靶材T，直流脈衝的正極連接放電的陽極，使得磁控濺射靶材T和陽極之間產生HiPIMS脈衝放電，形成高離化率的等離子體4。
第二脈衝調製器模組I雖然也是負責將第二直流電源模組B變成正的直流脈衝，但是，其斬波獲得的直流脈衝的正極與磁控濺測靶材T相連，直流脈衝的負極與陽極相連。其負責將HiPIMS脈衝放電後產生的等離子體的離子泵出去。
同步控制器模組S能夠發出兩組同步脈衝驅動信號分別驅動第一脈衝調製器模組H和第二脈衝調製器模組I；同步控制器模組S所發出的兩組同步脈衝不能重疊，以有效避免第一脈衝調製器模組H和第二脈衝調製器模組I同時打開造成的第一和第二直流電源模組A和B的不經過等離子區域串聯短路。
同步控制器模組S能夠發出兩組同步脈衝驅動信號P1、P2分別驅動第一脈衝調製器模組H和第二脈衝調製器模組I；同步控制器模組S所發出的兩組同步脈衝P1、P2頻率相同且可以分別調節脈寬。
同步控制器模組S所發出的同步脈衝P1的脈寬最小不小於3µs(微秒) ，最大不大於500µs(微秒)；同步控制器模組S所發出的同步脈衝P2的脈寬最小不小於5µs(微秒)。
同步控制器模組S所發出的同頻率的同步脈衝P1、P2之間的時間間隔最小為0s(零秒)，最大時間間隔不大於2ms(毫秒)。
所述的時間間隔是指能夠打開第一脈衝調製器模組H和能夠打開第二脈衝調製器模組I的時間間隔。
雖然如前所述本發明的從靶材泵出離子的新型脈動等離子體的電源包括前級直流電源模組、脈衝調製器模組及同步控制器模組三部分，但是這三部分僅僅是功能上的劃分。物理形式上，它們可以集成在同一個主機殼內或者分別排列組合。也可以將這三部分具有分別功能的電路製備在同一塊電路板上等。
進一步，本發明的從靶材泵出離子的新型脈動等離子體的電源可以有散熱裝置，可以有接線端子，可以有控制台，可以有輸入輸出端子。
所述散熱裝置的散熱方式可以為風冷或水冷散熱。
本發明電源的後面板可以包括輸出端子、遠控端子、輸入端子和接地端子。
所述控制台可以包括輸出電壓、輸出電流和輸出功率指示視窗、運行狀態指示燈和電壓調節旋鈕。
所述控制器內部的散熱裝置可以與控制模組、功率調節模組、故障診斷模組和頻率調節模組分層安裝。
本發明的離子濺射系統包括本發明的電源，以加速離子濺射系統的塗層沉積速率。在圖1-4的結構示例中，本發明的電源就是應用於離子濺射系統，離子濺射系統的磁控濺射靶材T和真空腔體C分別連接本發明的電源的接線端。
本發明的空間推進器包括本發明的電源，對高能衝擊磁控濺射中從靶材濺射出的離子進行加速。本發明的空間推進器是用於太空的設備，本身就處於真空的工作環境下。本發明的空間推進器的組成結構以及電路連接方式的示意與圖1-4類似，但是，不需要封閉的真空腔體，前述實施方式中的真空腔體C所起的電極作用由一個設置於靶材附近的電極代替就可以了；此外，空間推進器並非與前述實施方式那樣用於施加塗層，所以當然也不需要圖1-4中所示的基材M。
本發明的電源能夠對高能衝擊磁控濺射中從靶材濺射出的離子進行加速，從而能夠應用於多個領域獲得新的技術效果。
以上對本發明的從靶材泵出離子的新型脈動等離子體的電源、離子濺射系統以及空間推進器的實施方式進行了說明，其目的在於解釋本發明之精神。請注意，本領域技術人員可以在不脫離本發明的精神的情況下對上述各實施方式的特徵進行修改和組合，因此，本發明並不限於上述各實施方式。
S:同步控制器模組 A:第一直流電源模組B:第二直流電源模組 H:第一脈衝調製器模組I:第二脈衝調製器模組 C:真空腔體T:磁控濺射靶材 P1:同步脈衝訊號P2:同步脈衝訊號 Ｍ:基材 1:濺射面2:附近區域 3:批量泵出離子4:脈動等離子體
圖1為本發明一較佳實施例的一種從靶材泵出離子的新型脈動等離子體的電源的組成結構示意圖。 圖2 為第一和第二脈衝調製器模組H、I採用IGBT、並分別連接到第一直流電源模組A的正輸出端和第二直流電源模組B的負輸出端的電路連接方式示例。 圖3 為第一和第二脈衝調製器模組H、I採用IGBT、並分別連接到第一直流電源模組A的負輸出端和第二直流電源模組B的正輸出端的電路連接方式示例。 圖4為第一和第二脈衝調製器模組H、I採用IGBT、並分別連接到直流電源模組的正輸出端的電路連接方式示例。
S:同步控制器模組
A:第一直流電源模組
B:第二直流電源模組
H:第一脈衝調製器模組
I:第二脈衝調製器模組
C:真空腔體
T:磁控濺射靶材
P1:同步脈衝訊號
P2:同步脈衝訊號
M:基材
1:濺射面
2:附近區域
3:批量泵出離子
4:脈動等離子體

Claims (8)

  1. 一種從靶材泵出離子的新型脈動等離子體的電源，包括前級直流電源模組、脈衝調製器模組以及同步控制器模組(S)，所述前級直流電源模組安裝在所述脈衝調製器模組的前端，至少包括第一直流電源模組(A)和第二直流電源模組(B)；所述脈衝調製器模組至少包括第一脈衝調製器模組(H)和第二脈衝調製器模組(I)；所述第一直流電源模組(A)與所述第一脈衝調製器模組(H)負責提供高能衝擊磁控濺射放電所需的能量；所述第二直流電源模組(B)與所述第二脈衝調製器模組(I)負責提供泵出離子形成脈動等離子體所需的能量；所述第一直流電源模組(A)和所述第二直流電源模組(B)貯存的能量分別通過所述第一脈衝調製器模組(H)和所述第二脈衝調製器模組(I)調製後，以脈衝的方式，洩放到等離子體的發生裝置裡；所述同步控制器模組(S)用於對所述第一脈衝調製器模組(H)和所述第二脈衝調製器模組(I)進行同步控制；所述第一直流電源模組(A)和所述第二直流電源模組(B)分別有一電極共同電連結至所述靶材，所述第一直流電源模組(A)、所述第一脈衝調製器模組(H)、所述靶材以及所述第一脈衝調製器模組(H)的另一電極構成所述負責提供高能衝擊磁控濺射放電所需的能量的電路，所述第二直流電源模組(B)、所述第二脈衝調製器模組(I)、所述靶材以及所述 第二脈衝調製器模組(I)的另一電極構成所述負責提供泵出離子形成脈動等離子體所需的能量的電路；所述第一脈衝調製器模組(H)和所述第二脈衝調製器模組(I)既可以接在直流電源組的正輸出端，也可以接在負的輸入端，但是，所述第一脈衝調製器模組(H)設置於高能衝擊磁控濺射放電的迴路中；所述第二脈衝調製模組(I)設置於泵出迴路中；所述同步控制器模組(S)能夠發出兩組同步脈衝驅動訊號(P1，P2)分別驅動所述第一脈衝調製器模組(H)和所述第二脈衝調製器模組(I)；所述同步控制器模組(S)所發出的同頻率的所述兩組同步脈衝驅動信號(P1，P2)之間的時間間隔最小為0s，最大時間間隔不大於2ms；所述第一直流電源模組(A)為穩壓電源，所述穩壓電源可以提供高功率的脈衝磁控濺射所需要的電壓及能量，可以使得濺射能夠達到高能衝擊磁控濺射得功率密度，所述穩壓電源得直流電壓可調，最大輸出電壓值不小於600V；並且所述第二直流電源模組(B)為穩壓電源，能夠為泵出脈衝提供穩定的泵出電壓，所述穩壓電源的值泵電壓可調，最大的輸出電壓值不小於50V。
  2. 如請求項1所述的電源，其中：該電源用於磁控濺射系統，使得在該磁控濺射系統的真空腔體(C)中， 從磁控濺射靶材(T)的濺射面(1)的附近區域(2)批量泵出離子(3)，形成脈動等離子體(4)。
  3. 如請求項1所述的電源，其中：所述第一脈衝調製器模組(H)和第二脈衝調製器模組(I)的作用是將所述前極直流電源模組的直流電壓斬波調製成為脈衝電壓。
  4. 如請求項1所述的電源，其中：所述同步控制器模組(S)能夠發出兩組同步脈衝驅動信號分別驅動第一脈衝調製器模組(H)和第二脈衝調製器模組(I)；同步控制器模組(S)所發出的兩組同步脈衝不能重疊，能夠有效避免第一脈衝調製器模組(H)和第二脈衝調製器模組(I)同時打開造成的短路。
  5. 如請求項2所述的電源，其中：所述第一脈衝調製器模組(H)和第二脈衝調製器模組(I)的作用是將所述前極直流電源模組的直流電壓斬波調製成為脈衝電壓。
  6. 如請求項2所述的電源，其中：所述同步控制器模組(S)能夠發出兩組同步脈衝驅動信號分別驅動第一脈衝調製器模組(H)和第二脈衝調製器模組(I)；同步控制器模組(S)所發出的兩組同步脈衝不能重疊，能夠有效避免第一脈衝調製器模組(H)和第二脈衝調製器模組(I)同時打開造成的短路。
  7. 一種磁控濺射系統，包括請求項1-6中任一項所述的電源。
  8. 一種空間推進器，包括請求項1、3或4中任一項所述的電源。
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