調制中頻高功率脈沖磁控濺射電源的設計

張鳳曉　王浪平

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摘要：文章指出疊加直流的HPPMS技術有直流部分占空比較高和不可控制2大缺點，在做沉積薄膜實驗時無法提供濺射所需的高功率，導致空比較低，濺射效率稍低的高功率脈沖產生。為了解決問題，需要研制一臺電源，并且該電源可以用中頻調制脈沖高功率磁控濺射MPP（Modulated pulsed power），普通高功率磁控濺射系統中的直流部分可以用低頻脈沖來代替，盡可能減少低頻脈沖占空比并且可以確保充分預處理，使高功率脈沖占空比盡可能最大，提高系統的濺射效率。

關鍵詞：調制脈沖；磁控濺射；HPPMS；MPP

近年來，國外發展了HPPMS（高功率脈沖磁控濺射）技術，并且這種技術具備一定高的離化率和很好的薄膜性能，因此在技術領域有一定的影響力。HPPMS的峰值功率高出普通磁控濺射達2個數量級；濺射材料離化率更是高達70%以上。高功率脈沖磁控濺射技術目前在國內外得到了廣泛的研究。本文將在HPPMS的基礎上設計研制一臺基于MPP（Modulatedpulsed power）技術的脈沖電源，其特點是：要想使低頻脈沖與高功率脈沖的占空比得到合理的控制必須采用起弧預處理低頻脈沖來實現，通過變化電路參數使低頻脈沖所占比例最小而高頻脈沖最大，并確保可以有效的預處理，從而使電源在實際應用中的工作效率達到最大程度的提高。

1國內的研究現狀

現如今，我國現有的高功率脈沖磁控濺射電源有2種：（1）沒有經過預處理，而使高功率脈沖信號加為負載。不足之處在于：難以使高功率脈沖信號的峰值功率保持不變，電流過大可能會引起起弧打火；（2）用并聯或者串聯的形式來設計脈沖電源疊加直流。其缺點是低頻脈沖占空大和預處理時間長，但是由于很難控制直流部分占空比，出現高功率脈沖部分（對于金屬離子的沉積具有實際意義的部分）占空比相對較低的情況，導致沉積效率在實際應用中也不理想。

2研究現狀分析

目前在國內外廣泛的研究是高功率脈沖磁控濺射技術，這種技術具有濺射粒子離化率和能夠沉積出非常致密且具有高性能薄膜兩大優點。成為目前在制造耐蝕和光學及其他各種功能薄膜領域內一種新的突破的。

目前研制高功率脈沖磁控濺射電源的系統的技術有以下2種：（1）具有高功率脈沖峰值和沒有預處理兩大特點的高功率脈沖電源，這種電源容易產生起弧打火現象并且電壓和功率很難被控制；（2）具有不易起弧打火和有穩定的工作狀態直流形式的脈沖疊加電源，這種電源靠直流部分來實現起弧預處理，但由于高功率脈沖占空比少于直流部分的占空比，金屬離子沉積效率在應用中也相對比較低。

3電源的設計與研究

調制脈沖電源包括主電路、控制電路和保護電路。主電路包括高電壓（低頻預處理部分）和低電壓（磁控濺射部分）2部分，電路結構的模式是直流串聯。控制電路可以通過CD4098改變脈沖信號脈寬、峰值密度、峰值電流。保護電路有主回路和功率器件2部分。

3.1主電路設計思路

主電路脈沖信號的產生分為2個步驟：

（1）初始脈沖信號的產生靠驅動電路和斬波電路來完成；（2）在控制電路中，改變脈沖信號脈寬可以依據調整電路參數來控制電路，從而2個不同寬矩形脈沖信號，單穩態觸發電路（如CD4098）參數控制電路繼續調整，2個寬矩形脈沖被轉換為2個尖峰值高頻觸發脈沖信號。

3.2控制電路設計

初始脈沖、預放電脈沖和主放電脈沖信號的產生需要靠不斷改變電路內部的參數來控制電路，從而使各部分脈沖信號可控，控制電路有主放電脈沖寬度設定電路、主放電IGBT保護電路、振蕩及預放電脈寬控制電路、電流反饋保護電路等4種。

3.2.1振蕩電路

振蕩電路被用來控制初始脈沖頻率和預放電時長、主放電脈沖頻率和脈寬、預放電脈沖頻率和脈寬，通過各個CD4098振蕩電路對信號進行控制。

3.2.2主放電脈沖寬度的設定

CD4098為下降沿觸發需要和預放電脈沖后的主放電脈沖相連接，初始脈沖振蕩電路中設定預放電脈沖寬度的觸發器10腳（Q端）連接11腳下降并沿觸發端，預放電脈沖結束時，10腳（Q端）為下降沿。

3.2.3電流反饋保護電路

為了與設定基準值進行比較，因此用從信號采集電路采集到的反饋信號輸入比較器LF353的負輸入端得出結論，如果表征電路中電流的反饋信號過小，那么比較器的輸出端輸出就會為正，電路關斷，起到了一定的保護作用。電位器的設定值與比較器輸出的電位值相比，如果反饋電位超過設定電位，比較器輸出電位就會翻轉，再通過CD4098翻轉來達到輸出負電位，起到保護作用。

3.2.4預放電IGBT驅動電路設計

需要把預放電IGBT電路合成到控制電路板上是因為預放電設計電流值較低（1～10A），電壓高達甚至超過500V。通過采用光耦對2部分的電路來進行物理隔離可以使驅動電路與控制電路互不影響和干擾。當光耦后面的電路出現短路或者過流時不會對前級電路造成影響，從而也方便對電路的檢查，同時也提高了電路的安全與穩定性能。為了保險起見，采用2個IGBT并聯的方式以減少單管的電流，并采用高壓光容和其他的方式一起進行保護。

3.2.5主放電IGBT驅動電路設計

本文采用的是基于M57962L的IGBT驅動電路保護設計方案，光電耦合是一種可以用來實現輸入與輸出的電氣隔離的方法，由于隔離電壓高達2500V，因此需要配置短路/過載保護電路，以確保IGBT工作更加可靠。

電源輸出脈沖信號的波形如圖1所示，從該波形可以得出輸出脈沖信號是符合設計思路的，說明此設計電路具有一定的可靠性。

4結語

本文設計了一臺中頻調制脈沖高功率磁控濺射電源，對電源輸出參數進行了測試。通過上述研究得出如下結論：（1）該電源保護功能具有一定的合理性和完善性，與設計要求相符合。各項實驗指標顯示與設計指標相接近。在電源設計的調試過程中，為了有效地提高電源的可靠性和穩定性，需要通過不斷測試來調整和改善電源的輸入輸出的信號波形；（2）本電源與普通高功率脈沖磁控濺射電源一樣的地方是本電源預處理部分直流是用調制脈沖來替代，在完成濺射實驗的過程中，低頻脈沖和高功率脈沖的占空比需要通過調整電路的參數控制，提高高功率脈沖的所占比例并且可以有效的預處理，從而提高了濺射效率。