中頻磁控濺射電源的抑弧功能

磁控濺射電源的主要功能是濺射過(guò)程中產(chǎn)生的電弧。在磁控濺射中，電弧的存在會(huì)使磁控濺射電源的工作穩(wěn)定性、靶材的濺射質(zhì)量和濺射率發(fā)生較大變化，因此要抑制電弧產(chǎn)生。在電源運(yùn)行中，利用控制電路對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，使其達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

為了實(shí)現(xiàn)這一功能，首先要了解電弧產(chǎn)生的過(guò)程。在磁控濺射中，電弧的產(chǎn)生有以下幾個(gè)階段：

1.在濺射靶和基片之間存在等離子體（主要是氧氣）時(shí)，等離子體處于高溫高壓狀態(tài)。這一階段是弧柱產(chǎn)生和生長(zhǎng)的階段，也是弧柱形成過(guò)程中最容易出現(xiàn)電弧的階段。

3.在基片和靶材之間存在等離子體時(shí)，離子以一定角度撞擊靶材表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊效應(yīng)。這一階段是電弧發(fā)生并形成的過(guò)程。

4.在基片和靶材之間存在等離子體時(shí)，由于磁場(chǎng)強(qiáng)度和電流密度分布不均勻而產(chǎn)生磁場(chǎng)梯度效應(yīng)。

5.當(dāng)基片和靶材之間存在等離子體時(shí)，由于等離子體的熱效應(yīng)而產(chǎn)生熱量，使基片溫度升高。

1.磁控濺射電源的基本結(jié)構(gòu)

磁控濺射電源通常由主電源、控制電路、冷卻系統(tǒng)等幾部分組成，如圖1所示。主電源產(chǎn)生的交流電經(jīng)整流濾波后，供給直流24V電源?？刂齐娐酚脕?lái)對(duì)整流橋功率進(jìn)行控制，輸出穩(wěn)定的交流電壓，供給調(diào)節(jié)回路中的調(diào)整變壓器進(jìn)行整流濾波。保護(hù)電路采用限流電路和過(guò)流保護(hù)電路，當(dāng)電源輸出電流超過(guò)規(guī)定值時(shí)進(jìn)行保護(hù)。

2.工作原理

磁控濺射電源的抑弧功能就是通過(guò)控制電路使磁控濺射電源在濺射過(guò)程中自動(dòng)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)、電流、電壓，使電弧產(chǎn)生的可能性減小，最終達(dá)到抑制電弧產(chǎn)生的目的。這一功能主要由脈沖電源電路實(shí)現(xiàn)，其工作原理如圖1所示。

在磁控濺射電源工作時(shí)，控制電路使脈沖電源的兩路脈沖同時(shí)開(kāi)通和關(guān)閉。其中一路為“開(kāi)”脈沖，另一路為“關(guān)”脈沖。當(dāng)“開(kāi)”脈沖發(fā)生時(shí)，使真空室處于高壓狀態(tài)，而“關(guān)”脈沖發(fā)生時(shí)，則使真空室處于低壓狀態(tài)。

3.主要功能

（1）當(dāng)在濺射靶和基片之間存在等離子體時(shí)，濺射靶表面的電流密度會(huì)減小。這種改變會(huì)引起等離子體的冷卻效應(yīng)，使等離子體的溫度降低，從而降低了電弧的電壓和電流密度。

這種效應(yīng)會(huì)使離子加速并向靶材表面移動(dòng)。因此，通過(guò)控制電路可以改變磁場(chǎng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)梯度分布。

（3）在磁控濺射電源工作中，電弧的形成和生長(zhǎng)過(guò)程中最容易出現(xiàn)的階段是弧柱的形成和生長(zhǎng)過(guò)程中。因此，要抑制電弧的產(chǎn)生，就必須使弧柱生長(zhǎng)的階段變?yōu)樽钊菀壮霈F(xiàn)電弧的階段，從而抑制電弧的產(chǎn)生。

4.硬件組成

控制電路由 CPU、晶閘管、可控硅及其他元器件組成。它的功能是：

（1）根據(jù)負(fù)載電流調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角，使其處于最佳導(dǎo)通狀態(tài)，并使其導(dǎo)通時(shí)間適當(dāng)縮短。

（2）當(dāng)可控硅達(dá)到其最大導(dǎo)通時(shí)間時(shí)，立即關(guān)斷晶閘管，使可控硅處于斷路狀態(tài)，從而防止弧柱的產(chǎn)生。

（3）當(dāng)可控硅達(dá)到最小導(dǎo)通時(shí)間時(shí)，再控制晶閘管導(dǎo)通，從而將晶閘管的輸出電流限制在一定范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)電弧。

5.控制電路

抑制電弧的控制電路，主要由控制繼電器、晶閘管、電容器、可控硅組成。當(dāng)觸發(fā)線圈通電時(shí)，可控硅導(dǎo)通角的變化可改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，從而改變觸發(fā)線圈的工作狀態(tài)；當(dāng)晶閘管導(dǎo)通后，觸發(fā)線圈停止工作，電弧熄滅。當(dāng)電容充電時(shí)，由于電容充放電的時(shí)間不同，因此可以通過(guò)調(diào)整電容器的容量來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷。晶閘管關(guān)斷時(shí)間由可控硅導(dǎo)通角、電容器容量和電容放電時(shí)間組成。這三個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)可有效地抑制電弧產(chǎn)生。

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