直流磁控溅射电源研制及输出特性研究

磁控溅射技术在薄膜制备领域广泛应用，电源是磁控溅射镀膜的关键设备之一。本文介绍了全桥逆变直流磁控溅射电源主电路和控制电路的设计，该电源输出功率Zkw，采用Pl恒流控制，具有过流保护。通过阻性负载测试表明电源具有很好恒流特性，在输出功率超过40 w时电源效率比较高。利用氮气/氢气不锈钢靶直流磁控溅射实际的等离子体负载测试表明:在保证真空室内压力不变的前提下，随着氮气比例的增加，电压下降，但电源恒流效果好，工作稳定.

磁控溅射技术具有操作工艺简单、膜层沉积速率高、薄膜性能稳定、重复性好以及基底和薄膜材料选择广泛、可沉积多层膜，易获得较大范围的薄膜均匀性。同时，磁控溅射成膜离子的能量一般高于热蒸发、低于电弧镀，因此，容易获得附着力好、致密度高、内应力小的薄膜。而且磁控溅射技术容易实现在大面积上沉积均匀的薄膜、成本低等特点，使磁控溅射技术成功地应用于微电子、光学薄膜、材料等方面的薄膜沉积和表面覆盖层制备领域.

磁控溅射电源是磁控溅射技术中关键的设备之一，它的质量的优劣直接影响着镀膜产品的质量好坏。目前，磁控溅射电源类型有直流电源，中频电源和射频电源。其中直流磁控电源简单可靠、工作稳定，应用广泛。溅射电源电流的波动或偏移会直接影响溅射速率和成膜质量，为了控制镀膜的质量、稳定性和可重复性，直流磁控溅射电源必须有很好的恒流特性.

本文根据磁控溅射特点，研制了PwM控制全桥逆变直流磁控溅射电源，并已成功应用于实际磁控溅射实验中。文中介绍了磁控溅射电源的主电路、控制电路设计，并用自己研发的电源进行阻性负载下性能测试和用磁控溅射沉积不锈钢测试电源实际工作中的性能。

1 直流磁控溅射电源设计

逆变拓扑结构有正激式、反激式、推挽式、半桥式、全桥式等多种类型，对于大功率电源，适宜采用全桥逆变转换。磁控溅射起辉电压高、工作时功率大，因此电源采用全桥逆变结构。图1是该电源的原理框图，电路由主电部分和控制部分组成。电网输人单相交流电，通过工频整流，电感电容整流后为直流电。功率电子器件在通过控制电路的控制下将直流转换为脉冲交流电。经高频变压器，将交流脉冲升压。然后通过二极管整流和电感滤波输出直流。控制部分由PwM控制，IGBT驱动，恒流控制，过流保护等部分组成。

1.1 电源主电路设计

该直流磁控电源设计功率Zkw，空载电压l000V，最大工作电流ZA。电源主电路原理图见图2，电源逆变转换器的工作频率为20 kHz，逆变转换由VTI，V代，VT3 和VT4 功率开关管构成，由于电流比较大，选用IGBT为功率开关管。TI 是升压隔离变压器。Ifl、班分别为峰值电流和平均电流信号采集器件，采用霍尔电流传感器测量电流信号。在逆变转换中，由于元件参数不一致、正负电压不相等、正负脉宽不一样等因素，容易导致变压器磁偏，即不平衡性，电路抗不平衡性能差时，容易导致器件失效损坏18]。为了提高电源的抗不平衡能力，在主电路中加人隔直电容CZ。

图3为阻性负载时，电源变压器副边电压波形，电压波形上有轻微的衰减震荡。由于高频变压器有一定的漏感，漏感与隔直电容引起震荡。

1.2 控制电路设计

图4是电源控制原理图，该电源中PWM芯片采用选用SG3525 为主控芯片，该芯片主要功能包括基准电压产生电路、振荡器、误差放大器、PWM比较器、欠压锁定电路、软启动控制电路、推拉输出形式‘91。芯片性能优异，适合大功率逆变电源的脉宽调制。

为了使电源得到稳定的恒流输出，该电源采用有Pl校正网络的电流负反馈控制。恒流控制由ICI、RI、RZ、RS、CI构成的Pl调节器控制，ICZ为电压跟随器，起阻抗配备作用。19为电流给定信号，是通过调节电位器给定电压信号来输出端电流大小，IfZ 为输出直流电流反馈。
磁控溅射电源在实际工作中会出现异常放电，瞬间电流增长速度快、幅度大，必须迅速可靠地进行限流。因此为了电源不被烧损，在控制电路中加人了关脉冲的保护方式，同时为了提高过流保护的可靠性，在过流保护电路中加上了延时电路。当检测电流大于所设定的电流时，保护电路立即关断SG3525脉冲输出，延时一定时间后再自动恢复开通。
IC3、IC4、ICS和延时电路等组成过流保护电路。Ifl、砚分别为峰值电流和平均电流反馈，IC3等器件检测输出端直流电流过流，IC4等器件检测峰值电流过流。当峰值电流或平均电流有一个或两个同时过流时，延时电路立即工作，关断SG3525，保护延时一段时间后，系统恢复正常工作。

2 电源输出特性测试

磁控溅射电源的性能对磁控溅射镀膜有重要的影响，在溅射镀膜过程中，由于工作气压和气体流量变化而引起阻抗变化很大。为了可靠地控制膜厚和提高镀膜的质量，磁控溅射电源必须具有很好的恒流特性。因此对该电源在阻性负载和等离子体负载下的电源性能进行研究。

2.1 阻性负载测试

阻性测试是给定电流后改变负载大小研究电源输出电流和电压变化。图5是测试结果，从图中可以看出，随着负载的变化，电源输出电流几乎没有变化，说明电源具有很好的恒流特性。

电源工作效率是电源的重要参数，电源效率的测试方法是，通过检测电源输人端电压与电流和输出端电压与电流，然后计算输人功率pi和输出功率Po，将两者的比值Po/Pi作为电源的效率η。由于电源输人端采用了较大电感滤波，功率因数得到较大的提高，因此暂时不考虑高次谐波，以该近似计算的效率研究电源效率变化的规律。实测电源效率随输出功率变化的关系曲线见图6。

从图6中可以看出，随着输出功率的增加，电源效率提高，在小功率情况下，电源效率低，由于功率小时，逆变输出脉宽比较窄，因而开关管的饱和压降、变压器及其回路的内阻消耗能量比例较高，相对效率较低。随着输出功率的提高，脉宽增加，效率提高。

2.2 等离子体负载测试

磁控溅射工作过程中电源负载特性相当复杂，是一个强非线性时变系统，电源只有在良好反馈响应下才能保持稳定工作。为了研究电源实际工作性能，采用磁控溅射不锈钢实验来测试电源特性。
图7是在氨等离子体负载下变化氢气气压测试出电源输出特性，试验中采用不锈钢靶，氢气流量为15cm。从图7(a)可以看出，随着气压升高，电源输出电压下降，(b)看出随着气压升高，电流波动很小。因此，在气压变化时电源输出电流保持稳定。

为了测试电源在反应气体溅射中的稳定性，在氢气中混合氮气进行测试电源输出特性。实验中改变氮气氨气的比例时等离子体稳定。图8是工作气压保持在IPa，改变氮气氢气气压比例来测试电源特性。图8(a)是氮气比例和电压的关系，从图中可以看出，随着氮气比例的增加，电压下降。图8(b)为氮气比例和电流变化关系曲线，从图中可以看出，电流不变，保持稳定，电源具有很好的恒流特性。

随着磁控溅射工艺的改变(如气压变化，或是不同种类气体的比例变化)，电源输出电压发生变化，由于该电源具有Pl校正电流负反馈控制，电流给定后，波动很小，电源具有很好的恒流特性，适合用于溅射沉积高质量薄膜。

3 结论

(1)所研制的电源输出功率Zkw，选用了简单可靠适合于大功率的PwM控制全桥逆变结构，应用Pl控制方式控制恒流，电源具有很好过流保护功能，适合于磁控溅射。
(2)通过阻性负载测试表明电源具有很好的恒流特性，电源效率随着输出功率的增加而增加，在电源的主要工作区内电源具有较高的效率。
(3)在磁控溅射不锈钢实验中，电源输出电流恒定，等离子体稳定。改变氢气气压和改变氢气氮气混合比例来改变等离子体阻抗时，电源输出电流保持很好的恒定性，等离子体稳定，电源工作稳定。

作者:曹珍恩，巩春志，田修波，杨士勤