靶通道選擇器研究與優(yōu)化設(shè)計

魯 彤，袁祖浩，李 明，王佳方，何秋福

( 中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所， 湖南 長沙 410111)

“磁控濺射”這個名稱源于在磁控濺射沉積過程中使用磁場來控制帶電離子粒子的行為，該過程需要一個高真空室來為濺射創(chuàng)造一個低壓環(huán)境，將包含等離子體的氣體（通常為氬氣）送入腔室，在陰極和陽極之間施加高負(fù)電壓以啟動惰性氣體的電離，來自等離子體的正氬離子與帶負(fù)電的靶材碰撞，高能粒子的每次碰撞都會導(dǎo)致目標(biāo)表面（靶）的原子噴射到真空環(huán)境中并推進(jìn)到基板表面上[1]，強(qiáng)磁場通過將電子限制在目標(biāo)表面（靶）附近、增加沉積速率并防止離子轟擊對基板的損壞來產(chǎn)生高等離子體密度[2]，大多數(shù)材料都可以作為濺射工藝的靶材，因為磁控濺射系統(tǒng)不需要熔化或蒸發(fā)源材料。

目前磁控濺射設(shè)備在薄膜混合集成電路工藝中得到廣泛的應(yīng)用，通過在陶瓷基板表面沉積多層金屬薄膜，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于射頻陶瓷基板、5G 濾波器、精密電阻等領(lǐng)域。部分磁控濺射設(shè)備會在同一工藝腔內(nèi)配置多個濺射靶，一是，可以在同一工藝腔完成不同膜層的濺射，提升設(shè)備自身的鍍膜效率；二是，減少開腔次數(shù)，保證設(shè)備的高真空度，減少顆粒污染。對于多靶磁控濺射設(shè)備，通常采用靶通道選擇器將一路電源輸出通過通道切換作用于不同靶材，達(dá)到不同靶材的輸出要求，減少電源配置，降低設(shè)備成本，靶通道選擇器的穩(wěn)定性對設(shè)備穩(wěn)定性以及工藝薄膜制備的實現(xiàn)至關(guān)重要。

1 現(xiàn)狀分析

目前JST-100 型磁控濺射臺采用CSL 的818000-00 四通道功率轉(zhuǎn)接器即靶通道選擇器，該靶通道選擇器采用485 串口通訊，通過PLC 控制器控制，實現(xiàn)通道切換，達(dá)到不同濺射靶濺射目的。在JST-100 型磁控濺射臺運(yùn)行過程中，出現(xiàn)PLC 通訊顯示正常的情況下，靶通道選擇器出現(xiàn)CH2 和CH4 高頻率跳動切換的情況，如圖1 所示。由于靶通道選擇器出現(xiàn)CH2 和CH4 高頻率跳動切換，從而導(dǎo)致2 號靶位和4 號靶位交替出現(xiàn)輝光現(xiàn)象，嚴(yán)重影響工藝質(zhì)量。同時，由于靶通道的高頻率跳動，瞬時能量過大，能量無法迅速釋放，出現(xiàn)打火現(xiàn)象對靶通道選擇器本身造成了一定的損傷，嚴(yán)重時出現(xiàn)輸入接頭燒焦情況，如圖2 所示。

圖1 靶通道選擇器在通訊正常的情況下出現(xiàn)通道跳動的情況

圖2 靶通道選擇器DC IN 出現(xiàn)打火現(xiàn)象

根據(jù)靶通道選擇的擺放位置以及依據(jù)靶通道選擇器的工作原理，出現(xiàn)上述問題的主要原因可能是內(nèi)置RS485 串口通訊模塊問題和靶通道選擇器受到外部電磁干擾問題，為此對該類靶通道選擇器在JST-100 型磁控濺射臺進(jìn)行多次故障模擬，得出如下結(jié)論：

（1）對不同批次多臺靶通道選擇器的內(nèi)置RS485串口通訊模塊進(jìn)行通訊測試，對CH2 和CH4 通道進(jìn)行單獨(dú)測試，通訊均無異常，排除通訊模塊損壞可能性；

（2）電磁干擾出現(xiàn)的主要情況有3 種：①靶通道選擇器直接放置在濺射靶位上，由于濺射靶具有強(qiáng)磁場且靶通道選擇器和濺射靶距離擺放過近，進(jìn)而導(dǎo)致濺射靶成為干擾源，致使靶通道選擇器受到電磁干擾，靶通道選擇器擺放位置如圖3所示；②靶通道選擇器未良好接地，串口通訊線屏蔽層破損；③靶通道選擇器的內(nèi)部屏蔽措施不完善。通過調(diào)整靶通道選擇器位置，將其和濺射靶擺放距離增大，仍出現(xiàn)CH2 和CH4 高頻率跳動切換現(xiàn)象；通過檢查損壞的靶通道選擇器的地線接線端、通訊線纜以及接頭，發(fā)現(xiàn)接地良好且串口通訊線屏蔽層未發(fā)現(xiàn)破損；將靶通道選擇器拆開發(fā)現(xiàn)內(nèi)部電路有所損壞，為打火導(dǎo)致，且內(nèi)部通訊模塊并未做相應(yīng)的屏蔽保護(hù)。

圖3 靶通道選擇器擺放位置

綜上可知靶通道選擇器出現(xiàn)通道切換不受控制是由于內(nèi)部設(shè)計抗電磁干擾能力差，內(nèi)部屏蔽措施不完善導(dǎo)致。對于靶通道選擇器來說，其重要功能是對不同的靶通道進(jìn)行切換，從而達(dá)到對不同的靶進(jìn)行輸出，采用串口通訊的靶通道選擇器本身抗電磁干擾能力就很弱，在其受到電磁干擾而無法正常工作時，單純的進(jìn)行電磁干擾屏蔽無法從根本上解決問題。

2 新型靶通道選擇器設(shè)計

為解決目前CSL 的818000-00 靶通道選擇器內(nèi)部設(shè)計抗電磁干擾能力差，內(nèi)部屏蔽措施不完善導(dǎo)致CH2 和CH4 高頻率跳動切換現(xiàn)象，本文從其工作原理出發(fā)，設(shè)計一款滿足需求且不依賴于串口通訊的靶通道選擇器，來規(guī)避串口通訊容易受到電磁干擾的問題，提升靶通道選擇器的工作穩(wěn)定性。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型靶通道選擇器去除了傳統(tǒng)靶通道選擇器多余的內(nèi)部電路，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4 所示，新型靶通道選擇器的整體尺寸明顯縮小，占地空間減小，由原來直接放置于濺射靶上改為放置于腔體側(cè)部，增大了與濺射靶之間的距離，降低由于濺射靶強(qiáng)磁場對靶通道選擇器產(chǎn)生的電磁干擾。同時，新型靶通道選擇器主要采用鎢觸點開斷的高壓陶瓷繼電器實現(xiàn)不同通道之間的切換，相比于原機(jī)型采用的銅觸點繼電器，鎢觸點開斷的高壓陶瓷繼電器在絕緣、耐高溫、耐老化等多項性能指標(biāo)上均表現(xiàn)優(yōu)異，可以在25 kV 的高壓下，實現(xiàn)通道開斷狀態(tài)的穩(wěn)定切換[4]，鎢觸點可以保證在帶電切換的情況下不會觸發(fā)打火等安全問題[3]，規(guī)避了原機(jī)型由于通訊干擾導(dǎo)致銅觸點頻繁帶電切換，引發(fā)打火的安全隱患。

圖4 新型靶通道選擇器正面接線圖

為進(jìn)一步拓展靶通道選擇器功能，新型靶通道選擇器不僅提供直流電源的輸入接口，還增加了射頻電源的輸入接口，如圖5 所示。用戶可以根據(jù)自身需求，選用不同類型的電源輸入，設(shè)備整體兼容性、集成度進(jìn)一步提高，整體架構(gòu)清晰可靠，方便后續(xù)維護(hù)和故障處理。

圖5 兩款靶通道選擇器的輸入對比

2.2 控制方案

新靶通道選擇器主要采用下位機(jī)數(shù)字量輸出點位來控制直流電源輸入、射頻電源輸入的切換以及輸出各通道的切換，如圖6 所示。由于數(shù)字量輸出控制的高壓陶瓷繼電器不存在通訊受到電磁干擾的情況，也就不會出現(xiàn)靶選擇通道不受控制切換的情況。新靶通道選擇器共采用5 顆高壓陶瓷繼電器，其中1 顆帶一組常開觸點和一組常閉觸點，常開觸點控制直流電源輸入，常閉觸點控制射頻電源輸入，通過下位機(jī)數(shù)字輸出量實現(xiàn)直流輸入、射頻輸入的切換，剩下4 顆均只有一組常開觸點，控制不同濺射靶輸入通道的通斷，通過下位機(jī)數(shù)字輸出量實現(xiàn)濺射靶輸入通道切換，且通道彼此之間存在安全互鎖，單次只允許單個通道開啟，禁止多個通道同時開啟，造成安全隱患。

圖6 新型靶通道選擇器控制線路圖

新型靶通道選擇器需在電源放電之前完成通道選擇，其工作流程主要分為三個部分，首先需判定輸入電源采用的是直流電源還是射頻電源，完成輸入通道切換；其次，需進(jìn)行輸出通道選擇，在該步驟內(nèi)的邏輯互鎖確保有一路通道接通，且需僅有一路通道保持接通；最后在確保工藝條件滿足的情況下，電源放電，靶通道選擇器將其輸入到對應(yīng)濺射靶完成濺射。

2.3 驗證

經(jīng)過對后續(xù)模擬檢測結(jié)果以及廠家故障分析報告，為了避免出現(xiàn)同樣的質(zhì)量問題，決定采用新設(shè)計的靶通道選擇器徹底解決靶通道選擇器因通訊受到電磁干擾而出現(xiàn)通道異常導(dǎo)通的現(xiàn)象。通過應(yīng)用在JST-100 型磁控濺射臺，經(jīng)過用戶多批次連續(xù)工藝測試，新型靶通道選擇器均未出現(xiàn)通道切換不受控的情況，通道切換準(zhǔn)確率100%，且輸出功率穩(wěn)定，滿足工藝需求。

3 結(jié) 論

綜上所述，新型靶通道選擇器的研發(fā)達(dá)到了三個方面的目的：首先，徹底解決了由于電磁干擾導(dǎo)致通道切換不受控的問題，改善了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，大大降低了設(shè)備后續(xù)的維護(hù)成本；其次，采用新設(shè)計的靶通道選擇器，也一定程度上節(jié)省了元器件的采購周期，極大地縮短了設(shè)備裝調(diào)時間，也實現(xiàn)了靶通道選擇器的自主可控；最后，采用新設(shè)計靶通道選擇器，相比較于采購成品的進(jìn)口靶通道選擇器，單個成本減少了13 000 元以上，目前該類新型靶通道選擇器已經(jīng)投入使用7 臺，總體節(jié)約成本接近100 000 元，降本增效明顯。