專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于高功率脈沖磁控濺射的離化率可控鍍膜設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在磁控濺射耦合電壓模式下，等離子體離化率可調(diào)的HIPIMS磁 控濺射設(shè)備。
背景技術(shù)：
磁控濺射作為一項(xiàng)極具優(yōu)勢(shì)的物理氣相沉積技術(shù)，在微電子、光學(xué)薄膜及材料表 面處理等多個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。但由于離化率較低，這種技術(shù)在提高薄膜質(zhì)量方面也 存在一定的局限性，表現(xiàn)為制備工藝的不穩(wěn)定和較差的膜基結(jié)合力。提高等離子體離化率，增加成膜過(guò)程的可控性一直是表面領(lǐng)域工程應(yīng)用的重大 需求。高功率密度脈沖磁控濺射(HIPIMS)就是在這種背景下發(fā)展起來(lái)的新型表面改性技 術(shù)，是表面工程研究30年歷史上最有意義的突破，對(duì)現(xiàn)代薄膜制備與精確控制的發(fā)展具有 巨大的推動(dòng)作用。在HIPIMS中，高能量的脈沖作用可以使磁控靶周?chē)碾娮用芏冗_(dá)到 1019m 3，電子的高密度增加了濺射原子與高能電子的電離碰撞幾率，由此獲得了高離化的 濺射材料粒子，可將金屬等離子體的離化率由5%提高到80%以上。由于控制和影響入射粒 子荷能狀態(tài)和空間分布的手段主要是電、磁場(chǎng)，因此，提高等離子體離化率，使中性不可控 粒子轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子，將有利于人為干預(yù)成膜過(guò)程，而獲得高品質(zhì)薄膜。如圖1所示，在現(xiàn)有技術(shù)中，高功率脈沖電源是HIPIMS系統(tǒng)的核心部件，是單一或 多個(gè)LC電路組合而成的脈沖網(wǎng)路。充電電源4通過(guò)電子開(kāi)關(guān)Sl為電容組C充電，構(gòu)成充 電回路；電容組C上的電壓在電子開(kāi)關(guān)S2的定期通斷作用下形成脈沖放電到磁控管中。磁 控濺射靶2在高能級(jí)下工作可獲得高等離子體密度和離化率，但是傳統(tǒng)的直流磁控濺射受 磁控靶發(fā)熱融化的限制，只能工作在25mA/cm2靶電流密度以下。而該電源可在磁控靶上提 供1000 3000 W/cm2的峰值能量密度(常規(guī)磁控濺射通常不超過(guò)25 W/cm2)，瞬間功率即 可達(dá)到兆瓦級(jí)，但其頻率低，占空比小，平均功率只有幾十千瓦，不會(huì)對(duì)磁控靶造成損壞。但在標(biāo)準(zhǔn)HIPIMS電源的放電過(guò)程中，磁控電流上升與電壓脈沖難以同步，尤其在 低氣壓情況下，如圖2所示，同一濺射脈沖里高離化率等離子體輝光的產(chǎn)生時(shí)間較電壓滯 后達(dá)幾十微秒。另外，與常規(guī)磁控濺射相比，HIPIMS相同平均功率下的沉積速率較低，主要 是因?yàn)樵诟唠x化率條件下，大量濺射材料離子被吸回到陰極，而未到達(dá)基體表面。因此，既 能獲得高離化率的等離子體，又不損害薄膜的沉積速率是HIPIMS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。HIPIMS作為一種提供高離化率等離子體源的新興技術(shù)，可利用其實(shí)現(xiàn)等離子體離 化率在一定范圍內(nèi)可調(diào)，但由于標(biāo)準(zhǔn)HIPIMS電源使用較低的脈沖頻率(5HZ 200HZ)和低 占空比(0. 1% 10%)，若要使磁控濺射維持正常工作，必須保證其具有較高的脈沖峰值能 量密度，因此無(wú)法僅僅基于標(biāo)準(zhǔn)HIPIMS電源的調(diào)控實(shí)現(xiàn)等離子體離化率的有效控制。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足，本發(fā)明提供一種在HIPIMS放電過(guò)程中降低電流 脈沖遲滯時(shí)間，在保證薄膜沉積速率的同時(shí)，建立一種等離子體離化率可調(diào)的HIPIMS磁控濺射鍍膜設(shè)備。一種基于高功率脈沖磁控濺射的離化率可控鍍膜設(shè)備包括真空濺射體系、 低壓直流電源體系、高壓脈沖電源體系、PLC中央控制體系和計(jì)算機(jī)；低壓直流電源體系為 真空體系提供低壓電流，高壓脈沖電源體系為真空體系提供高壓脈沖電流；PLC中央控制 體系對(duì)真空體系、低壓直流電源體系、高壓脈沖電源體系進(jìn)行控制，所述PLC與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)的傳送與控制。進(jìn)一步，所述真空體系由真空腔體、磁控濺射靶和真空獲得裝置組成。進(jìn)一步，所述低壓直流電源體系包括串聯(lián)在一起的直流電源、電子開(kāi)關(guān)S1和二極 管D1。進(jìn)一步，低壓直流穩(wěn)壓電源的電壓范圍為0 600V。進(jìn)一步，所述高壓脈沖電源體系包括充電電源、電容組C和二極管D2、電流傳感 器、電感器L和兩個(gè)電子開(kāi)關(guān)S2、S3。其中，電子開(kāi)關(guān)S2與充電電源串聯(lián)，充電電源、電容器 組C和二極管D2三者并聯(lián)；三者并聯(lián)后與電子開(kāi)關(guān)S3、電流傳感器和電感器L串聯(lián)設(shè)置在 高壓 脈沖電源體系的總電路上；高壓脈沖電源體系通過(guò)控制一個(gè)電子S2的開(kāi)啟時(shí)間來(lái)控制 電容組C的充電時(shí)間，及放電脈沖的峰值；通過(guò)控制另一個(gè)電子開(kāi)關(guān)S3的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間， 來(lái)控制高壓脈沖電源體系所發(fā)出的高壓脈沖的頻率以及占空比。進(jìn)一步，所述高壓脈沖電源的峰值電壓為2000V，脈沖頻率為5HZ 200HZ，占空比 為 0. 1% 5%。進(jìn)一步，所述PLC中央控制單元包括硬件電路、CPU和通訊協(xié)議組成，所述PLC通 過(guò)通訊協(xié)議與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送與控制。作為實(shí)現(xiàn)上述目的的手段，在高功率脈沖磁控濺射電源中耦合入低電壓直流電 源，構(gòu)成磁控濺射耦合電源。采用PLC作為中央控制單元，配備相應(yīng)的接口電路實(shí)現(xiàn)對(duì)磁控 濺射系統(tǒng)的控制，通過(guò)協(xié)調(diào)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)的工作時(shí)序來(lái)調(diào)控耦合脈沖電壓的起始時(shí)間、頻率、峰 值及占空比等，實(shí)現(xiàn)對(duì)沉積速率和離化率的調(diào)整與控制。本發(fā)明的有益效果是
1)預(yù)置直流電壓，有效降低了脈沖電流遲滯時(shí)間；
2)耦合入直流磁控濺射，有效保證了薄膜沉積速率；
3)建立一種等離子體離化率可調(diào)的HIPIMS磁控濺射技術(shù)，為相關(guān)科學(xué)的研究提供了 技術(shù)支持。


圖1是HIPIMS現(xiàn)有技術(shù)原理示意圖2是現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)HIPIMS電源的放電特性曲線(xiàn)； 圖3是離化率可調(diào)高功率脈沖磁控濺射原理示意圖； 圖4是離化率可調(diào)脈沖電壓耦合工作模式示意圖； 圖5是離化率可調(diào)耦合電源的放電特性曲線(xiàn)。
具體實(shí)施例方式圖3示出了這種離化率可調(diào)高功率脈沖磁控濺射技術(shù)的原理圖，該系統(tǒng)主要包 括真空濺射體系、低壓直流電源體系、高壓脈沖電源體系和PLC中央控制體系。低壓直流電源體系為真空體系提供低壓電流，高壓脈沖電源體系為真空體系提供高壓電流；PLC中 央控制體系對(duì)真空體系、低壓直流電源體系、高壓脈沖電源體系進(jìn)行控制。真空 濺射體系由真空腔體1、磁控濺射靶2和真空獲得裝置等組成。低壓直流電源 體系包括串聯(lián)在一起的直流電源3、電子開(kāi)關(guān)SjP二極管Dl ；用于為磁控靶提供穩(wěn)定的低 電壓；低壓直流穩(wěn)壓電源的電壓范圍為0 600V。高壓脈沖電源體系包括充電電源4、電 容組C和二極管D2、電流傳感器5、電感器L和電子開(kāi)關(guān)S2、S3。其中，電子開(kāi)關(guān)S2與充電電 源4串聯(lián)，充電電源4、電容器組C和二極管D2三者并聯(lián)，并聯(lián)后與電子開(kāi)關(guān)S3、電流傳感器 5和電感器L串聯(lián)設(shè)置在高壓脈沖電源體系總電路上。高壓脈沖電源體系通過(guò)控制電子S2 的開(kāi)啟時(shí)間來(lái)控制電容組C的充電時(shí)間，及放電脈沖的峰值。通過(guò)控制電子開(kāi)關(guān)S3的開(kāi)啟 和關(guān)閉時(shí)間，來(lái)控制高壓脈沖電源體系所發(fā)出的高壓脈沖的頻率以及占空比。本發(fā)明中所 需高壓脈沖電源體系的峰值電壓為2000V，脈沖頻率為5HZ 200HZ，占空比為0. 1% 5%， 電子開(kāi)關(guān)S2的通斷為電容器組C充電，電子開(kāi)關(guān)S3的通斷形成高壓脈沖。通過(guò)調(diào)控開(kāi)關(guān)S2 和S3的通斷時(shí)長(zhǎng)及時(shí)序間隔，可以獲得不同峰值、頻率以及占空比的高壓脈沖。PLC中央控 制單元由硬件電路6、CPU和通訊協(xié)議7組成，PLC通過(guò)通訊協(xié)議與計(jì)算機(jī)8實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳 送與控制。電路中的采樣電壓V為磁控靶電壓，通過(guò)與磁控靶并聯(lián)的電壓表進(jìn)行測(cè)量。采 樣電流I為由設(shè)置高壓脈沖電源體系總電路中的電流傳感器5所獲得的脈沖電流。電流傳 感器5通常選用霍爾電流傳感器。在薄膜制備的過(guò)程中，采樣電流和采樣電壓通過(guò)PLC傳輸?shù)接?jì)算機(jī)8上，用于監(jiān)控 真空濺射體系的放電狀態(tài)；同時(shí)由計(jì)算機(jī)8向PLC發(fā)出指令，通過(guò)控制低壓電源體系和高壓 電源體系中開(kāi)關(guān)S” S2和S3的通斷，為磁控濺射靶2提供具有確定脈沖起始時(shí)間、峰值、頻 率以及占空比的磁控濺射耦合電壓。低壓直流電源體系和高壓脈沖電源體系相互獨(dú)立，在 鍍膜過(guò)程中可分別單獨(dú)使用，也可在計(jì)算機(jī)和PLC的控制下實(shí)現(xiàn)耦合，如圖4所示。為實(shí)現(xiàn) 離化率可調(diào)，低壓直流電源體系中的直流電源3的電壓和高壓脈沖電源體系中的充電電源 4的電壓均連續(xù)可調(diào)，高壓脈沖電源體系的電壓的頻率脈寬在允許范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，脈沖相 位可精確移動(dòng)。由圖4的耦合電壓理想波形示意圖中可以看出，影響薄膜沉積速度的主要參數(shù)為 預(yù)置的恒定低壓值，而影響等離子體離化率的主要參數(shù)為脈沖起始時(shí)間、峰值、頻率以及 占空比等。因此，通過(guò)計(jì)算機(jī)與PLC進(jìn)行通訊，通過(guò)控制低壓電源體系和高壓電源體系中開(kāi) 關(guān)Sp S2和S3的通斷時(shí)長(zhǎng)及時(shí)序間隔，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜沉積速率和等離子體離化率的調(diào) 整與控制。其中預(yù)置的恒定直流低電壓對(duì)磁控靶起到預(yù)起輝的作用，如圖5所示，可使低 氣壓下的耦合脈沖電流滯后時(shí)間降低至十微秒以下，與圖2中現(xiàn)有技術(shù)的電流脈沖遲滯時(shí) 間相比，明顯加快了脈沖電流的上升速度。另外，圖4的耦合電壓波形中，低電壓直流電源 為磁控靶提供了常規(guī)的直流磁控濺射電流，可以獲得穩(wěn)定的低離化率等離子體，以保證薄 膜的沉積速度。而在PLC協(xié)調(diào)控制下緊接著的HIPIMS高壓脈沖，實(shí)現(xiàn)等離子體的瞬時(shí)高離 化。通過(guò)調(diào)整脈沖和直流磁控濺射的功率比，即在直流恒壓確定的情況下，調(diào)控脈沖高壓的 起始時(shí)間、頻率、峰值及占空比，改變耦合電源的脈沖波形，實(shí)現(xiàn)對(duì)沉積速率和離化率的調(diào) 整與控制。
權(quán)利要求
1.一種基于高功率脈沖磁控濺射的離化率可控鍍膜設(shè)備，其特征為，所述鍍膜設(shè)備包 括真空濺射體系、低壓直流電源體系、高壓脈沖電源體系、PLC中央控制體系和計(jì)算機(jī)；低 壓直流電源體系為真空體系提供低壓電流，高壓脈沖電源體系為真空體系提供高壓脈沖電 流；PLC中央控制體系對(duì)真空體系、低壓直流電源體系、高壓脈沖電源體系進(jìn)行控制，所述 PLC與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送與控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述鍍膜設(shè)備，其特征為，所述真空體系由真空腔體、磁控濺射靶 和真空獲得裝置組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述鍍膜設(shè)備，其特征為，所述低壓直流電源體系包括串聯(lián)在一 起的直流電源、電子開(kāi)關(guān)S1和二極管D1。
4.根據(jù)權(quán)利要求3中所述鍍膜設(shè)備，其特征為，低壓直流穩(wěn)壓電源的電壓范圍為O 600V。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述鍍膜設(shè)備，其特征為，所述高壓脈沖電源體系包括充電電 源、電容組C和二極管D2、電流傳感器、電感器L和兩個(gè)電子開(kāi)關(guān)S2、S3 ；其中，一個(gè)電子開(kāi) 關(guān)S2與充電電源串聯(lián)，充電電源、電容器組C和二極管D2三者并聯(lián)；三者并聯(lián)后與另一個(gè) 電子開(kāi)關(guān)S3、電流傳感器和電感器L串聯(lián)設(shè)置在高壓脈沖電源體系的總電路上；高壓脈沖電 源體系通過(guò)控制一個(gè)電子S2的開(kāi)啟時(shí)間來(lái)控制電容組C的充電時(shí)間，及放電脈沖的峰值； 通過(guò)控制另一個(gè)電子開(kāi)關(guān)S3的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間，來(lái)控制高壓脈沖電源體系所發(fā)出的高壓脈 沖的頻率以及占空比。
6.根據(jù)權(quán)利要求5中所述鍍膜設(shè)備，其特征為，所述高壓脈沖電源的峰值電壓為 2000V，脈沖頻率為5HZ 200HZ,占空比為0. 1% 5%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1中所述鍍膜設(shè)備，其特征為，所述PLC中央控制單元包括硬件電 路、CPU和通訊協(xié)議組成，所述PLC通過(guò)通訊協(xié)議與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送與控制。
全文摘要
一種基于高功率脈沖磁控濺射的離化率可控鍍膜設(shè)備，所述鍍膜設(shè)備包括真空濺射體系、低壓直流電源體系、高壓脈沖電源體系、PLC中央控制體系和計(jì)算機(jī)；低壓直流電源體系為真空體系提供低壓電流，高壓脈沖電源體系為真空體系提供高壓脈沖電流；PLC中央控制體系對(duì)真空體系、低壓直流電源體系、高壓脈沖電源體系進(jìn)行控制，所述PLC與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送與控制。本發(fā)明的有益效果是1)預(yù)置直流電壓，有效降低了脈沖電流遲滯時(shí)間；2)耦合入直流磁控濺射，有效保證了薄膜沉積速率；3)建立一種等離子體離化率可調(diào)的HIPIMS磁控濺射技術(shù)，為相關(guān)科學(xué)的研究提供了技術(shù)支持。
文檔編號(hào)C23C14/54GK102108492SQ20111002036
公開(kāi)日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2011年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月18日
發(fā)明者夏原, 李光, 高方圓 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所