调制中频高功率脉冲磁控溅射电源的设计

张凤晓　王浪平

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摘要：文章指出叠加直流的HPPMS技术有直流部分占空比较高和不可控制2大缺点，在做沉积薄膜实验时无法提供溅射所需的高功率，导致空比较低，溅射效率稍低的高功率脉冲产生。为了解决问题，需要研制一台电源，并且该电源可以用中频调制脉冲高功率磁控溅射MPP（Modulated pulsed power），普通高功率磁控溅射系统中的直流部分可以用低频脉冲来代替，尽可能减少低频脉冲占空比并且可以确保充分预处理，使高功率脉冲占空比尽可能最大，提高系统的溅射效率。

关键词：调制脉冲；磁控溅射；HPPMS；MPP

近年来，国外发展了HPPMS（高功率脉冲磁控溅射）技术，并且这种技术具备一定高的离化率和很好的薄膜性能，因此在技术领域有一定的影响力。HPPMS的峰值功率高出普通磁控溅射达2个数量级；溅射材料离化率更是高达70%以上。高功率脉冲磁控溅射技术目前在国内外得到了广泛的研究。本文将在HPPMS的基础上设计研制一台基于MPP（Modulatedpulsed power）技术的脉冲电源，其特点是：要想使低频脉冲与高功率脉冲的占空比得到合理的控制必须采用起弧预处理低频脉冲来实现，通过变化电路参数使低频脉冲所占比例最小而高频脉冲最大，并确保可以有效的预处理，从而使电源在实际应用中的工作效率达到最大程度的提高。

1国内的研究现状

现如今，我国现有的高功率脉冲磁控溅射电源有2种：（1）没有经过预处理，而使高功率脉冲信号加为负载。不足之处在于：难以使高功率脉冲信号的峰值功率保持不变，电流过大可能会引起起弧打火；（2）用并联或者串联的形式来设计脉冲电源叠加直流。其缺点是低频脉冲占空大和预处理时间长，但是由于很难控制直流部分占空比，出现高功率脉冲部分（对于金属离子的沉积具有实际意义的部分）占空比相对较低的情况，导致沉积效率在实际应用中也不理想。

2研究现状分析

目前在国内外广泛的研究是高功率脉冲磁控溅射技术，这种技术具有溅射粒子离化率和能够沉积出非常致密且具有高性能薄膜两大优点。成为目前在制造耐蚀和光学及其他各种功能薄膜领域内一种新的突破的。

目前研制高功率脉冲磁控溅射电源的系统的技术有以下2种：（1）具有高功率脉冲峰值和没有预处理两大特点的高功率脉冲电源，这种电源容易产生起弧打火现象并且电压和功率很难被控制；（2）具有不易起弧打火和有稳定的工作状态直流形式的脉冲叠加电源，这种电源靠直流部分来实现起弧预处理，但由于高功率脉冲占空比少于直流部分的占空比，金属离子沉积效率在应用中也相对比较低。

3电源的设计与研究

调制脉冲电源包括主电路、控制电路和保护电路。主电路包括高电压（低频预处理部分）和低电压（磁控溅射部分）2部分，电路结构的模式是直流串联。控制电路可以通过CD4098改变脉冲信号脉宽、峰值密度、峰值电流。保护电路有主回路和功率器件2部分。

3.1主电路设计思路

主电路脉冲信号的产生分为2个步骤：

（1）初始脉冲信号的产生靠驱动电路和斩波电路来完成；（2）在控制电路中，改变脉冲信号脉宽可以依据调整电路参数来控制电路，从而2个不同宽矩形脉冲信号，单稳态触发电路（如CD4098）参数控制电路继续调整，2个宽矩形脉冲被转换为2个尖峰值高频触发脉冲信号。

3.2控制电路设计

初始脉冲、预放电脉冲和主放电脉冲信号的产生需要靠不断改变电路内部的参数来控制电路，从而使各部分脉冲信号可控，控制电路有主放电脉冲宽度设定电路、主放电IGBT保护电路、振荡及预放电脉宽控制电路、电流反馈保护电路等4种。

3.2.1振荡电路

振荡电路被用来控制初始脉冲频率和预放电时长、主放电脉冲频率和脉宽、预放电脉冲频率和脉宽，通过各个CD4098振荡电路对信号进行控制。

3.2.2主放电脉冲宽度的设定

CD4098为下降沿触发需要和预放电脉冲后的主放电脉冲相连接，初始脉冲振荡电路中设定预放电脉冲宽度的触发器10脚（Q端）连接11脚下降并沿触发端，预放电脉冲结束时，10脚（Q端）为下降沿。

3.2.3电流反馈保护电路

为了与设定基准值进行比较，因此用从信号采集电路采集到的反馈信号输入比较器LF353的负输入端得出结论，如果表征电路中电流的反馈信号过小，那么比较器的输出端输出就会为正，电路关断，起到了一定的保护作用。电位器的设定值与比较器输出的电位值相比，如果反馈电位超过设定电位，比较器输出电位就会翻转，再通过CD4098翻转来达到输出负电位，起到保护作用。

3.2.4预放电IGBT驱动电路设计

需要把预放电IGBT电路合成到控制电路板上是因为预放电设计电流值较低（1～10A），电压高达甚至超过500V。通过采用光耦对2部分的电路来进行物理隔离可以使驱动电路与控制电路互不影响和干扰。当光耦后面的电路出现短路或者过流时不会对前级电路造成影响，从而也方便对电路的检查，同时也提高了电路的安全与稳定性能。为了保险起见，采用2个IGBT并联的方式以减少单管的电流，并采用高压光容和其他的方式一起进行保护。

3.2.5主放电IGBT驱动电路设计

本文采用的是基于M57962L的IGBT驱动电路保护设计方案，光电耦合是一种可以用来实现输入与输出的电气隔离的方法，由于隔离电压高达2500V，因此需要配置短路/过载保护电路，以确保IGBT工作更加可靠。

电源输出脉冲信号的波形如图1所示，从该波形可以得出输出脉冲信号是符合设计思路的，说明此设计电路具有一定的可靠性。

4结语

本文设计了一台中频调制脉冲高功率磁控溅射电源，对电源输出参数进行了测试。通过上述研究得出如下结论：（1）该电源保护功能具有一定的合理性和完善性，与设计要求相符合。各项实验指标显示与设计指标相接近。在电源设计的调试过程中，为了有效地提高电源的可靠性和稳定性，需要通过不断测试来调整和改善电源的输入输出的信号波形；（2）本电源与普通高功率脉冲磁控溅射电源一样的地方是本电源预处理部分直流是用调制脉冲来替代，在完成溅射实验的过程中，低频脉冲和高功率脉冲的占空比需要通过调整电路的参数控制，提高高功率脉冲的所占比例并且可以有效的预处理，从而提高了溅射效率。