[发明专利]一种实现多模式输出磁控溅射镀膜电源电路及控制方法

说明书

技术领域

本发明属于真空镀膜技术中磁控溅射电源设备，具体涉及一种可实现直流溅射、单向脉冲溅射、双向对称中频溅射及双向不对称中频溅射等四种模式输出功能的电路设备及控制方法。

背景技术

自从20世纪70年代磁控溅射技术诞生以来，目前已经成为真空镀膜行业中应用最广并正在不断发展的镀膜技术之一。

溅射镀膜是指利用具有一定能量的粒子轰击靶材，使靶材原子或分子从固体表面溅射，在基片上沉积形成薄膜的过程。磁控溅射是在辉光放电的两极之间引入磁场，电子受电场加速作用的同时受到磁场的束缚作用，运动轨迹成摆线，增加了电子和带电粒子以及气体分子（一般为氩气）相碰撞的几率，提高了气体的离化率，降低了工作气压，更容易使靶原子逸出靶材飞向基板形成薄膜，并向工件内部扩散，在物体表面获得各种特殊的物理层或结构，它是一种新型的改善物体表面的技术。

要实现溅射，其外部条件应有符合一定真空度的密闭容器，其次要有激发离子和电子的电场，它由加在靶材和真空室外壁（或两个靶材间）的电源提供。所以磁控溅射装置一般由溅射镀膜电源、真空机组、工作气体控制器、真空室和真空仪表等几部分组成。

根据系统所用电源，磁控溅射可分为直流溅射、射频溅射、脉冲溅射和中频溅射。它们适用不同条件下的膜层制备。直流溅射适合金属膜溅射，使用单靶，但用直流反应溅射制备介电材料和绝缘材料的反应溅射沉积过程中，会在靶表面覆盖上一层绝缘层；导致靶面正电荷累积，进而发生击穿形成弧光放电，并造成大颗粒靶材刻蚀形成低能量的“液滴”粒子附于薄膜中，造成薄膜结构缺陷，且靶表面覆盖的连续氧化物膜的存在导致直流反应溅射速率较低，并造成溅射过程的“滞回”现象。有效解决此类问题的办法是采用射频电源和脉冲电源。但射频电源结构复杂，受制造器件限制，设备昂贵，输出功率不大。脉冲电源因为价格合理，具有良好的用户可操作性，目前成为磁控溅射镀膜研究及应用领域的热点。

脉冲溅射可分为双向脉冲和单向脉冲溅射，应用较多的是对称的双极性脉冲，俗称中频溅射，使用双靶，一个周期分正电压和负电压两段。在负电压段，电源溅射靶材，正电压段，引入电子中和靶面累积的正电荷，并使表面清洁，裸露出金属表面。双向脉冲更多地用于双靶闭合式非平衡磁控溅射系统，系统中的两个磁控靶连接在同一脉冲电源上，两个靶交替充当阴极和阳极，阴极靶在溅射的同时，阳极靶完成表面清洁，如此周期性地变换磁控靶极性，就产生了“自清洁”效应。典型应用就是中频磁控溅射，工作频率一般为10～100kHz。但由于考虑到电源本身设计的可靠性、电磁兼容等问题，中频电源使用正弦波输出，在溅射时会损失较多的有效溅射时间，相应地降低了溅射速率。单向脉冲正电压段的电压为零，溅射发生在负电压段，由于零电压段靶表面电荷中和效果不明显。

由于等离子体中的电子质量小，相对正离子具有更高的能动性，理论上讲，双向交流脉冲的正电压值只需要是负电压大小的10%～20%范围，就足以有效中和靶表面累积的正电荷，完成表面清洁，克服靶“中毒”现象，同时让负向脉冲电压足够高，接近高功率脉冲溅射方式。通过调整正电压段和负电压段的溅射幅值、脉冲频率和占空比，有效提升溅射速率的同时，保证更具高品质镀膜质量，应用前景非常乐观。

目前在同一个真空镀膜装置上要实现这几种模式输出的磁控溅射工艺，必须更换、使用不同的电源来实现，使得设备体积庞大，场地面积要求高，不便于系统集成控制。

发明内容

针对上述情况，本发明提出一种可实现直流溅射、单向脉冲溅射、双向对称中频溅射及双向不对称中频溅射等四种模式输出功能的电路设备及控制方法。大大提高单一设备利用率、降低成本及场地面积，进一步推进磁控溅射技术在先进材料加工行业的深度发展。

本发明的目的是设计一种电路设备，通过不同的控制策略方法，来实现直流磁控溅射、单向脉冲磁控溅射、双向对称（或等幅）中频磁控溅射及双向不对称磁控溅射等四种模式输出功能。包括直流稳压电源1、主电路2、数字控制器3、驱动器4及靶极01，如附图1所示，

所述的主电路2在图中虚线框内，包括五个开关5、6、7、8和9，两个二极管10、11，一个高频电感12及两个容量较大的储能电容器13、14，