高功率脉冲磁控溅射电源的研制_王洪国

高功率脉冲磁控溅射电源的研制

王洪国 陈庆川* 韩大凯 尹 星 许泽金 沈丽茹 金凡亚

(核工业西南物理研究院 成都 610041)

Novel Type of Power Supply for High -Power Pulsed Magnetron Spu ttering

Wang Hangguo,Chen Qingchuan *,Han Dakai,Yin Xing,Xu Zejin,Shen Liru,Jin Fanya

(Southweste rn Institute o f Ph ysics ,Chen gdu 610054,China)

Abstract A novel type of power supply was developed for the high -po wer pulsed magnetron sputtering reactor

(HPP MS).The newly -developed power supply is capable of generating high pulsed voltage and large current,making it possible to realize high ionization rate of the reactor.The dedicated power supply c onsists of two major parts:one is the charging po wer supply,and the other is a chopping circuit.The influence of the large current on the overshoot voltage of the insulated gate bipolar transistor was evaluated.We found that the overshoot voltage can be effectively reduced with the RCD absorbing and free wheeling circuit.The Ti films were deposited with the lab -built power supply.The results sho w that the fairly reliable po wer supply works well in depositing the high quality,smooth,compact and uniform Ti films. Keywords HPPMS,Po wer supply,Plamsa discharge,Ti films

摘要 高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)因其高离化率而得到广泛关注。高压大电流脉冲电源是实现该技术的重要环节之

一。本论文介绍了一种HPPMS 电源,该电源由充电电源、斩波输出两部分组成,给出了主电路框图。分析了大电流对斩波开关过电压的影响,采用RC 吸收和续流有效地抑制了电压过冲,用所研制的电源进行HPPMS 镀膜试验,结果表明电源运行稳定可靠,制备的薄膜表面清洁、致密,其平均表面粗糙度很低。可以预见HPPMS 技术将会促进镀膜技术的发展。

关键词 高功率脉冲磁控溅射 电源 等离子体放电 Ti 膜

中图分类号:TN86 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-7126.2013.02.14

磁控溅射技术广泛用于薄膜制备领域,可以制备工业上所需的超硬薄膜、耐腐蚀、耐磨擦薄膜、超导薄膜、磁性薄膜、光学薄膜以及各种具有特殊性能的膜。但传统的磁控溅射技术溅射金属大多以原子态存在,金属离化率低,可控性差,沉积薄膜的质量和性能较难优化。近年来发展的高功率磁控溅射技术,它的峰值功率可以比普通磁控溅射高两个数量级,金属离子离化率可达70%以上,某种程度上,高功率脉冲磁控溅射(HPP MS)集中了传统溅射和电弧的优点,与现存的提高离化率的手段相比,不需要新装置,只需在原有的系统上增加一台脉冲电源[1-2]

。

目前,HPPMS 电源的研制尚处于起步阶段,为

此作者研制了峰值功率达300kW 的HPP MS 电源,采用绝缘栅双极型晶体管(IGB T)逆变技术、IGB T 斩波技术、具有高峰值功率、高效率、小型化等特点。

并用所研制的电源进行HPPMS 镀膜试验,显示了良好的特性。

1 电源研制

HPPMS 电源由充电电源、斩波输出单元等组成,具备连续可调的稳压、过流、过热、打火保护功能。设计电源为恒压模式,脉冲峰值电压为-500~-1500V,电流为10~200A,脉宽30~150L s,频率为10~400Hz 。电源结构如图图1所示。直流电源在脉冲间歇期给电容充电,在脉冲工作时,由电容C s 向等离子体负载放电。111 充电电源

充电电源为负高压电源,采用全桥逆变技术,大大减小了电源体积、重量,提高了效率。其典型结构如图2所示。图中的整流电路经电容C 1滤波后得

收稿日期:2012-02-14

*联系人:Tel:(028)82820927;E -mail:1064213358@

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2013年2月

图1 HPP MS 电源示意图

Fig 11 Schematic diagram of the HPP MS power

supply

图2 充电电源典型结构

Fig 12 Schematic diagram of the charging power supply

到直流电压,再由逆变器逆变成高频交流方波。脉冲电压逆变器的开关频率选在20kHz 以减小磁性元件的体积,避免噪声污染等。逆变器输出经高频变压器隔离并变换成适当的交流电压,再经过整流和滤波变成所需要的直流电压。本设计充电电源的输出功率为10kW,输出-500~-1500V/6A 。开关频率为20kHz,最大占空比为018。初次级绝缘电压等级为10kV 。主变压器变比为1B 3

。图3 斩波电路结构图

Fig 13 Schematic of HPPMS power supply

112 斩波回路

斩波部分是将直流电压通过斩波电路变成频率和脉宽均可调的脉冲。斩波部分结构图如图3所示。斩波电路使用I GB T 作为开关串联在回路中,通过信号发生器触发IGB T 来调节脉宽和频率。在信号发生器输出电平为高时,I GB T 导通,电容C 上的电压通过开关IGB T 、电感L 、电阻R 加在磁控靶上,溅射靶开始工作。主脉冲发生器电平为低时,IGB T

关断,溅射靶停止工作,电感储存的能量通过续流二级管D 释放。

磁控溅射在实际应用中容易发生打火现象,电

源必须设置短路打火保护装置。通过传感器检测斩

波脉冲电流峰值信号,控制器判断电流大于保护值,则直接使信号发生器输出低电平,关断I GB T,待打火消失后再重新工作。同时使用电感、电容限流,以抑制起弧时的快速增长的大电流对电源的冲击。并采用R s C s 吸收电路防止过电压。缓冲电容C s 的电容取值由下式可得[3]

C s =

I p @t f 2V max

式中,I p 是集电极电流峰值。V max 是IGB T 关断时允许的集电极电压峰值,取最大工作工作电压的114倍;t f 集电极峰值电流从最大降到0的时间。得C s 为015L F 。R s 应使C s 在最小导通时间t on 内放电至所充电荷的5%,则有t on(min)=3R s C s ,则得R s =138,考虑R s 过大,吸收效果不好,最终选取为58。另针对电源的特性,对多台电容串并联构成储能单元的支路安装了电阻均压器。

2 电源调试

用本文研制的脉冲电源在直径5cm 的圆形磁控溅射靶上进行了调试。图4为在Ar 气压在015

Pa 、峰值电压1000V 、频率50Hz 、脉宽100L s 下磁控放电的电压和电流波形,可以看出,脉冲电流波形中刚开始时产生的呈尖峰状的一段电流波形为峰值电流,随后的电流波形较平缓。刚开始时的峰值电流取决于初始气压,表明气体离子占有主导地位;随后的电流值取决于放电功率和靶材料性质,表明和自溅射发生了紧密联系。

图4 气压015Pa 峰值电压1kV 的电压流波形Fig 14 Voltage,current wave forms at the pressure of 015Pa

and peak voltage of 1000V

图5是014Pa 气压、不同峰值电压下的放电电压和电流的波形,电压分别为700,800,1000,1200,

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