磁控溅射高频脉冲(A-2K)电源的研制1

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
高脉冲功率密度复合磁控溅射电源研制及放电特性研究
高功率脉冲磁控溅射技术（HPPMS）由于能够产生较高的离化率而受到人们的重视。

为了提高离化率/ 沉积速率协同效应，基于直流和脉冲耦合叠加技术我们研制了高功率密度复合脉冲磁控溅射电源，并对高功率复合脉冲磁控溅射放电特性进行研究。

结果表明脉冲峰值电流随脉冲电压的增加而增加，但随着脉冲宽度的增加而减小。

在高功率脉冲期间工件上获得的电流可以增加一个数量级以上，表明磁控离化率得到显著增强。

磁控溅射技术广泛应用于薄膜制备领域，但传统的磁控溅射处理技术溅
射金属大多以原子状态存在，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，它的峰值功率可以比普通磁控溅射高2 个数量级；金属离子离化率可达70%以上；反应磁控溅射金属靶面不容易中毒；离化粒子获得的能量高，这些效应对于控制膜层质量、优化膜层结构是非常有利的，另外高功率脉冲磁控溅射的瞬时功率虽然很高，但其平均功率与普通磁控溅射相当，这样就不会增加对磁控靶冷却的要求。

因此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。

然而高功率脉冲磁控溅射需要较高的激励电压，靶表面高的负电压使得
离化的离子可能被靶自身吸回，因而薄膜沉积效率不高。

将直流溅射和脉冲磁控溅射耦合起来应该是一种有效的解决方法，一方面直流磁控溅射可获得高沉积速率，并对高功率脉冲有预离化的作用，优化脉冲起辉特性；另一方面脉冲功率提供高的离化率，对溅射膜层性能予以调制。

为此我们研制了新型的高脉冲功率密度复合磁控溅射电源，并对复合脉冲条件下的放电特性进行了研究，为高功率复合脉冲磁控溅射技术应用提供依据。

脉冲磁控溅射电源控制策略的研究
磁控溅射（Pulsed-Magnetron-Sputtering, PMS）是一种广泛用于制造器件和材料表
面的表面改性技术。

它的工作原理是通过磁界控制低能量的离子流将受控环境中的原料沉
积到表面上。

然而，磁控溅射电源控制已成为一种普遍的挑战，这是因为它具有较复杂的
动态特性。

一种用于调节磁控溅射电源的策略是示波器调节（VTA）。

在VTA中，将电压
引入脉冲器，以产生所需要的搅驱脉冲。

然后，通过控制示波器振幅，可以改变冷却时间，从而控制溅射脉冲的宽度。

然而，VTA有一些缺点，即需要建立有限状态机（FSM）。

由于溅射反应的复杂性，电压引入FSM可能导致脉冲宽度和重复率的不一致，其可能会严重影响PMS表面覆盖物的性能。

为了改善这种情况，研究人员提出了一种具有三种不同模式的脉冲磁控溅射电源控制
策略。

由于策略使用了四极杆控制，因此可以同时实现高精度控制和被动控制。

由于策略
的参数可以有效地调节脉冲宽度和重复率，因此可以实现良好的性能。

在实验中取得了良
好的结果，并证明该策略具有很好的实际操作性能。

因此，脉冲磁控溅射电源控制策略是有效的，可以有效控制PMS表面覆盖物的性能。

这种控制策略可以有效改变脉冲宽度和重复率，可以有效控制被动响应，也可以有效改善
磁控溅射电源的性能。

使用这一策略，可以使得表面覆盖物具有良好的均一性和稳定性，
它也可以有效帮助制造器件和材料表面改性技术发挥最大效用。

脉冲磁控溅射电源控制策略的研究脉冲磁控溅射技术是一种目前广泛应用于世界各地的技术，着重于利用脉冲形式的磁场来控制电子束的移动，从而使电子束精准地溅射到目标表面，实现目标表面层的改变。

然而，由于技术的复杂性以及脉冲磁控溅射电源控制策略的多样性，为了增强精确性和准确性，需要对系统进行全面的控制和管理。

本文旨在研究不同脉冲磁控溅射电源控制策略，为实际应用提供更好的支撑。

通常情况下，利用脉冲磁控溅射的处理过程，会分为三个部分：1.对电子束的控制；2.对溅射材料的控制；3.对表面质量的控制。

在这三个部分中，电子束的控制是最重要的一部分，因为它关系到电子束的精准溅射、溅射效率和表面质量。

具体而言，在脉冲磁控溅射过程中，常用的电子束控制策略有：磁场控制、脉冲频率控制、温度控制等。

磁场控制是脉冲磁控溅射最常用的电子束控制策略，利用磁场产生脉冲样式，从而改变电子束移动的方向，使之能精准溅射到目标表面。

然而，需要注意的是，磁场控制的精度受制于磁场中的梯度，梯度越高，精度越高。

同时，也可以通过调整磁场的参数，如梯度、频率和时间等，来调节电子束的方向和溅射量，从而改变溅射表面的质量和效率。

脉冲频率控制是由脉冲发生器进行的，其基本原理是调节发生器输出的脉冲波形和频率，以改变电子束的方向、数量和动能，从而改变溅射表面的质量和效率。

脉冲频率控制的优点在于可以控制电子束的溅射量，能够较好地控制表面的质量和效果，而且这种控制策略的时间和效率相对较高。

温度控制是另外一种有效的电子束控制策略。

这种策略利用温度的变化通过改变器件内部的能量，来改变电子束移动方向、数量和动能，从而改变溅射表面的质量和效率。

温度控制的优点在于可以控制电子束的溅射量，并能够有效地控制表面的质量和准确性。

另外，针对溅射材料的控制，通常会采用质谱仪或其他物理检测仪来检测其质量。

为了获得最佳的溅射表面质量，需要留意以下几点：１．溅射材料的晶体结构；２．溅射材料的温度；３．材料的晶体结构和晶格结构；４．材料的原子结构和晶体结构。

广东脉冲磁控溅射步骤
广东脉冲磁控溅射是一种常用的薄膜制备技术，其步骤主要包括以下几个方面：
1. 准备基底：选择适合的基底材料，进行表面清洗和处理，保证基底表面干净、平整。

2. 安装目标材料：选择需要制备的薄膜材料作为靶材，将其装置在靶枪中。

3. 预处理：在真空室内进行预处理，如排气、通氩、磁化等，以提高靶材的活性。

4. 溅射：启动脉冲电源，产生高压电场，使得氩离子在电场的作用下加速，并撞击靶材，使其表面的原子或分子离开靶材并沉积到基底上，形成薄膜。

5. 控制制备参数：控制溅射时间、靶材与基底之间的距离、溅射功率、氩气流量等参数，以得到所需的薄膜厚度、质量和形貌。

6. 后处理：制备完成后，进行后处理，如退火、离子束辅助沉积等，以提高薄膜质量和性能。

以上是广东脉冲磁控溅射的主要步骤。

在实际操作中，需要根据具体情况进行调整和优化，以获得更好的制备效果。

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书山有路勤为径，学海无涯苦作舟可调脉冲功率(MPP)磁控溅射电源研制及放电特性的研究可调脉冲电源MPP(modulated pulsed power)磁控溅射技术是一种新型的高功率磁控溅射技术。

基于STC12C5A60S2 单片机为控制单元研制了MPP 电源。

电源可以输出多种脉冲波形，能够实现优化的高功率脉冲磁控溅射工艺。

MPP 放电模式表现为初始的弱放电和随后的高功率大电流放电行为。

MPP 放电电压影响着高功率放电电流和脉冲宽度，而放电气压主要影响起辉时刻，但对放电电流大小影响不大。

引入引燃脉冲可实现低气压下的高功率大电流放电。

高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)是利用较高的脉冲峰值功率和较低的占空比产生高金属离化率的磁控溅射方法，由于占空比(1%~10%)较低，平均热量不高，阴极不会过热，同时峰值功率(1000 W/cm2~3000 W/cm2) 是普通磁控溅射的100 倍，溅射离化率极高，同时也提高了薄膜的组织性能。

但是它的沉积速率比直流磁控溅射(DCMS)低，这阻碍了它在工业生产中的应用。

Sarakinos 等人也在一篇综述性文章里论述到用钛靶沉积时HPPMS 的沉积速率是DCMS 的15- 75%。

与此同时有人开始研究可调脉冲的磁控溅射技术，采用MPP(modulated pulsed power)电源。

这种电源在控制模式、功率、脉宽、频率等方面与HPPMS 有很大不同，它最重要的特点是输出电压波形可以调制成多阶梯的波形。

作为HPPMS 的并行技术，Chistyakov 等人首先将之应用于磁控溅射。

虽然MPP 模式的离化率比HPPMS 略有降低，但它有望解决HPPMS 的低沉积速率问题，也继承了HPPMS 的优点。

研究已经表明，MPP 技术还具有可控低离子能量、高金属离子流的特点，同时增强了薄膜的密度和结合强。

调制中频高功率脉冲磁控溅射电源的设计作者：张凤晓王浪平来源：《无线互联科技》2015年第18期X摘要：文章指出叠加直流的HPPMS技术有直流部分占空比较高和不可控制2大缺点，在做沉积薄膜实验时无法提供溅射所需的高功率，导致空比较低，溅射效率稍低的高功率脉冲产生。

为了解决问题，需要研制一台电源，并且该电源可以用中频调制脉冲高功率磁控溅射MPP（Modulated pulsed power），普通高功率磁控溅射系统中的直流部分可以用低频脉冲来代替，尽可能减少低频脉冲占空比并且可以确保充分预处理，使高功率脉冲占空比尽可能最大，提高系统的溅射效率。

关键词：调制脉冲；磁控溅射；HPPMS；MPP近年来，国外发展了HPPMS（高功率脉冲磁控溅射）技术，并且这种技术具备一定高的离化率和很好的薄膜性能，因此在技术领域有一定的影响力。

HPPMS的峰值功率高出普通磁控溅射达2个数量级；溅射材料离化率更是高达70%以上。

高功率脉冲磁控溅射技术目前在国内外得到了广泛的研究。

本文将在HPPMS的基础上设计研制一台基于MPP（Modulatedpulsed power）技术的脉冲电源，其特点是：要想使低频脉冲与高功率脉冲的占空比得到合理的控制必须采用起弧预处理低频脉冲来实现，通过变化电路参数使低频脉冲所占比例最小而高频脉冲最大，并确保可以有效的预处理，从而使电源在实际应用中的工作效率达到最大程度的提高。

1国内的研究现状现如今，我国现有的高功率脉冲磁控溅射电源有2种：（1）没有经过预处理，而使高功率脉冲信号加为负载。

不足之处在于：难以使高功率脉冲信号的峰值功率保持不变，电流过大可能会引起起弧打火；（2）用并联或者串联的形式来设计脉冲电源叠加直流。

其缺点是低频脉冲占空大和预处理时间长，但是由于很难控制直流部分占空比，出现高功率脉冲部分（对于金属离子的沉积具有实际意义的部分）占空比相对较低的情况，导致沉积效率在实际应用中也不理想。

高频射频电源在磁控溅射工艺中的应用研究引言磁控溅射工艺是一种常见的薄膜沉积技术，广泛应用于不同领域的薄膜制备。

高频射频电源作为磁控溅射工艺的主要能量源，对薄膜的制备过程和性能具有重要影响。

本文将探讨高频射频电源在磁控溅射工艺中的应用研究，并分析其对薄膜制备过程和性能的影响。

一、磁控溅射工艺概述磁控溅射工艺是一种利用高能量带电粒子轰击靶材以产生薄膜的方法。

该工艺通过将靶材置于真空腔体内，使用气体放电产生的等离子体加速带电粒子，使其通过磁场控制的区域，然后撞击到靶材表面，使靶材的原子或分子脱落并沉积在基底上形成薄膜。

磁控溅射工艺具有成本低、工艺稳定等特点，广泛应用于光电子、化工、航空航天等领域。

二、高频射频电源介绍高频射频电源是磁控溅射工艺中的主要能量源，用于产生等离子体和控制离子束的能量。

高频射频电源的工作频率通常在13.56MHz左右，是薄膜制备中最常用的频率。

高频射频电源通过电磁场的耦合和能量传递，使得气体在腔体内产生放电等离子体，进而形成能量高、温度均匀分布的离子束。

在磁控溅射工艺中，高频射频电源的电流密度、功率密度和频率等参数对薄膜沉积速率、晶体结构和物理性能等具有重要影响。

三、高频射频电源的影响因素1. 电流密度高频射频电源的电流密度是影响溅射过程的重要参数之一。

适当的电流密度可以提供足够的能量，使得靶材表面的原子或分子脱落并沉积在基底上。

过低的电流密度会导致薄膜沉积速率低下，而过高的电流密度则可能造成靶材的过热和烧毁。

因此，选择合适的电流密度对于薄膜的制备至关重要。

2. 功率密度高频射频电源的功率密度是指单位面积上的能量输出量。

适当的功率密度可以提供充足的能量，加热离子束并提高薄膜沉积速率。

过低的功率密度会导致薄膜的致密性不足，而过高的功率密度则容易引起溅射过程中的局部过热和脱落不均匀。

因此，选择适当的功率密度是保证薄膜质量的关键因素。

3. 频率高频射频电源的频率直接影响到等离子体的产生和能量传递过程。

大功率脉冲磁控溅射器工作原理说起这个大功率脉冲磁控溅射器（我们四川人喊的“高功率脉冲溅射机子”），它的工作原理还是相当有讲究嘞。

这个机子，它主要是靠高功率的脉冲电源来工作。

晓得啥子叫脉冲电源不？就是那种短时间内能够给出大功率的电。

这种电源，它在一个周期里头，有正电压和负电压两个阶段。

在负电压阶段，电源就开始溅射靶材，把材料喷到要镀的物件上。

而在正电压阶段，就引进电子，把这些累积在靶面上的正电荷给中和掉，还能把靶面清洁干净，露出金属本色。

这个高功率脉冲电源，它的好处可不少。

因为脉冲时间短，所以能在极短时间内给出极高的功率，产生大量的离子和电子，让等离子体密度大大提高。

这样一来，溅射出来的材料就更多，而且质量也更好，能形成致密均匀的薄膜。

而且，这个机子还能调节脉冲参数，比如脉冲持续时间、间隔时间和峰值功率这些，来控制等离子体的密度和能量分布。

这样一来，就能根据不同的需要，来优化薄膜的沉积过程。

另外，这个机子里头还有磁场，能增强电子在靶材表面的运动，提高溅射效率。

还有真空腔体，提供低压环境，让等离子体稳定运行。

再加上精确的气体流量控制系统和基片加热系统，就能让薄膜的质量和性能更上一层楼。

所以说，这个大功率脉冲磁控溅射器，它的工作原理是相当复杂和精妙的。

通过调节各种参数，就能实现高质量的薄膜沉积，这在工业上可是大有可为嘞。

专利名称：一种具有高启动电压的磁控溅射脉冲电源专利类型：发明专利
发明人：陈桂涛,孙强,姬军鹏,施辉,李岩
申请号：CN201010166751.2
申请日：20100507
公开号：CN101824602A
公开日：
20100908
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种具有高启动电压的磁控溅射脉冲电源，包括依次连接的DC输入、高压启动模块、脉冲发生模块和续流模块，续流模块与磁控溅射装置中的基片和靶材连接；高压启动模块与异常检测模块连接，高压启动模块用于为磁控溅射工艺提供一个1500V的启动电压；脉冲发生模块用于产生脉冲偏压；续流模块用于解决脉冲磁控溅射时由于等离子负载的特殊性质而导致输出电压产生较大震荡的问题；所述的异常检测模块用于检测等离子体负载电流的变化，根据负载电流的变化情况在发生异常的情况下对磁控溅射工艺进行二次高压启动。

本发明的电源结构能够提高磁控溅射工程中等离子体的离化率、增强薄膜与基体结合强度和保证沉积工艺的优点。

申请人：西安理工大学
地址：710048 陕西省西安市金花南路5号
国籍：CN
代理机构：西安弘理专利事务所
代理人：罗笛
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(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201811025899.7(22)申请日 2018.09.04(71)申请人 北京航空航天大学地址 100191 北京市海淀区学院路37号(72)发明人 李刘合　谷佳宾　苗虎　徐晔　(74)专利代理机构 北京卓岚智财知识产权代理事务所(特殊普通合伙)11624代理人 任漱晨(51)Int.Cl.C23C 14/35(2006.01)C23C 14/06(2006.01)C23C 14/08(2006.01)(54)发明名称一种双极脉冲磁控溅射方法(57)摘要本发明公开一种双极脉冲磁控溅射方法，包括：一、将试样置于真空室内的样品台上，连接相关磁控溅射镀膜设备；二、完成对真空室的抽真空；三、设置双极脉冲磁控溅射电源的参数；四、向真空室内通入工作气体，通过双极脉冲磁控溅射电源施加双极脉冲电压，进行溅射沉积，完成涂层制备。

本发明的优点：本发明方法可在单一靶材上实现双极脉冲磁控溅射技术，在初始负脉冲结束后施加正脉冲，驱使负脉冲产生的离子飞离靶表面附近区域，提高离子产出效率，并能够消除靶表面的电荷积累，抑制靶的打火。

权利要求书1页 说明书4页 附图3页CN 109136871 A 2019.01.04C N 109136871A1.一种双极脉冲磁控溅射方法，其特征在于双极脉冲磁控溅射方法，包括以下步骤：步骤一：将清洗干净的试样置于真空室内的样品台上，将双极脉冲磁控溅射电源阴极连接磁控靶，阳极接地；步骤二：将真空腔室密封，并对真空室抽真空，待真空室的本底真空低于10-2Pa，完成对真空室的抽真空；步骤三：设置双极磁控溅射电源的负脉冲的脉宽、频率以及电压，设置双极磁控溅射电源的正脉冲的脉宽、频率以及电压，设置双极磁控溅射电源的正负脉冲的频率相同而正负脉冲的脉宽可以相同也可不同，设置双极磁控溅射电源的正脉冲在负脉冲结束后产生，并设置正负脉冲的时间间隔；步骤四：向真空室内通入工作气体，设置溅射的工作气压，开启双极脉冲磁控溅射电源施加双极脉冲电压，进行溅射沉积，完成涂层制备。

脉冲磁控溅射电源控制策略的研究黄西平;刘洋;孙强;陈桂涛【摘要】基于脉冲磁控溅射电源等离子体负载的特殊性及镀膜过程对输出电压电流的控制需求,提出了一种PI控制电压环与滑模变结构控制电流环相结合的复合控制策略.文中建立了移相全桥变换器的平均状态空间模型,重点对滑模变结构电流控制方法进行了分析与设计,采用指数趋近律法削弱抖振,并对影响性能的参数进行了研究.仿真和实验结果表明:所提出的控制方法克服了传统方式下可能出现的起辉失败、负载扰动下电流波动大等缺点,提高了起辉成功率,并且对负载扰动具有很强的抑制能力.【期刊名称】《西安理工大学学报》【年(卷),期】2015(031)004【总页数】5页(P443-447)【关键词】磁控溅射电源;滑模变结构控制;移相全桥;起辉过程【作者】黄西平;刘洋;孙强;陈桂涛【作者单位】西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048;西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048;西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048;西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048【正文语种】中文【中图分类】TP273+.3磁控溅射技术以其溅射沉积率高、膜层附着力好、致密度高等优点，广泛应用于镁铝合金等金属材料的表面处理中。

磁控溅射工艺要求磁控溅射电源首先能快速产生一个恒定的等离子体,击穿电压为起辉电压，一般在700～850 V左右；其次电源瞬间带等离子体负载，电压突降，电流呈指数上升[1]，此时电流控制不住就会引起大弧产生,使电源进入保护状态，造成起辉过程失败，为保证电源安全可靠起辉，电源需具有快速无超调的恒流特性；为了生成高质量的膜层，电源需保证在工艺环境和负载变化的情况下具有良好的稳流特性。

目前对磁控溅射的溅射材料、溅射工艺和镀膜系统研究较多，而对于磁控溅射电源控制策略的研究甚少。

文献[2]提出了一种变速积分和重复控制复合的控制方法用于直流磁控溅射电源来提高系统的稳定性，并给出了电压仿真波形。