[实用新型]全数字高功率单极脉冲磁控溅射电源

说明书

本实用新型属电子技术领域，涉及一种全数字高功率单极脉冲磁控溅射电源，主要用于真空镀膜技术。 

磁控溅射电源工作于高频变换模式，直流输出，电源电流调整通过改变高频变换的脉冲宽度来实现。磁控溅射电源具有良好的负载特性，性价比高，适用于金属及反应膜层环境使用。目前，磁控溅射镀膜工艺所采用的电源均为直流磁控溅射电源、中频磁控溅射电源和单极脉冲磁控溅射电源，溅射材料主要以中性原子/原子团为主，溅射机理是动能，在一般情况下，电源电压范围在1kv以下，离子能量在几个电子伏特左右，形成的等离子体离化率低，可控性较差，沉积薄膜的质量和性能较难优化。 

近年来国外发展了高功率脉冲磁控溅射技术，它的峰值功率是普通磁控溅射的100倍，在单位平方厘米面积上可获得1000～3000W功率。对于大型磁控靶，可产生兆瓦级溅射功率。但是由于脉冲时间短在5～100微秒内，其平均功率与普通磁控溅射相当。也不会增加冷却要求。由此带来的优点是：①在1000～3000W/cm²功率密度下，溅射材料离化率极高，达70％以上，是普通磁控溅射3～5倍；②这个高度离化的束流不含大颗粒；③一般溅射材料能级只有5～10电子伏特，而高功率脉冲磁控溅射材料能级最大可达100电子伏特，因此它的最大优点是可以镀高致密度的膜，而不会使基体表面温度显著增高。高功率脉冲磁控溅射技术已成为磁控溅射研究领域的前沿和热点，但是要使这一技术得以实现，必须研制出符合上述技术要求的高功率磁控溅射电源。 

中国专利200610134219.6提供了“一种用于超高功率脉冲非平衡磁控溅射的电源方法”，其采用球隙开关组件和脉冲形成线控制和形成超高功率脉冲放电，实现超功率的脉冲非平衡磁控溅射沉积；使用唯一的一个主电源系统供给多路脉冲形成线组和对应的球系开关组，为不同的非平衡磁控溅射基靶供给高功率脉冲，实现扩展输出；同时实现微机智能控制，频率、参数连续可调，能够防止过流、过压、过热的损坏。该电源方法采用的是球隙开关和脉冲形成线，存在固有的缺点：①球隙开关，开关重复频率低，只有数十Hz，不适合在高重复频率或＞100Hz频率的高功率磁控溅射电源中使用；②球隙开关的开关时长不可控，有抖动，脉冲宽度不可调，在高功率磁控溅射电源中使用存在很大局限性；③触发困难，不稳定，有时要 根据不同间隙气体压力反复调整触发电压和电流；④球隙开关寿命短，经常需要维护；⑤体积大、效率低、笨重，对安装环境和空间有严格要求。 

本实用新型的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种性能稳定、效率高、结构简单，寿命长的全数字高功率单极脉冲磁控溅射电源。 

本实用新型是通过下述几个关健技术加以实现。关键技术之一，串联式谐振逆变充电电源，关键技术之二，由IGBT(绝缘栅极双极型晶体管)组成的固体半导体开关；关键技术之三，由电感电容组成的储能网络；关键技术之四，由DSP(高速数字信号处理器)组成的控制核心，下面分别叙述各自关键技术的功能与特征： 

本实用新型是通过下述几个关健技术加以实现。关键技术之一，串联式谐振逆变充电电源，关键技术之二，由IGBT(绝缘栅极双极型晶体管)组成的固体半导体开关；关键技术之三，由电感电容组成的储能网络；关键技术之四，由DSP(高速数字信号处理器)组成的控制核心，下面分别叙述各自关键技术的功能与特征： 

1、串联式谐振逆变充电电源，如附图(C框区域)它由谐振电感LX，谐振电容CX和IGBT(绝缘栅双极晶体管)V₁、V₂、V₃、V₄组成逆变桥，谐振电流通过一个高频升压变压器T输出，高频整流向由电感LD₁，电容CD₁组成储能网络充电。在本实用新型发明之前，向储能网络充电的电源多采用工频直流电源(包括200610134219专利)，由于储能网络是阻抗变化巨大的负载，在充电起始阶段接近短路，阻抗几近为0，充电结束时充电电流非常小，阻抗驱于无穷大，为了克服恒压充电、电流变化巨大易给充电电源造成损坏，往往是在负载与充电电源之间串一个大功率电阻，进行限流，这样就会带来限流电阻发热充电电源效率低，＜50％，体积庞大、笨重。随着磁控溅射电源重复频率的提高，脉冲功率的扩大，上述低效率、体积庞大、笨重的恒压充电方式已很难满足实际应用，对此提出本实用新型的技术路线——串联谐振逆变充电电源。它具有恒流充电特性、体积小，效率高，可靠稳定，功率密度大，不怕短路，适合宽范围阻抗变化的负载，是非常理想的充电电源。