一種脈沖濺射電源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁控濺射技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種脈沖濺射電源。
【背景技術(shù)】
[0002]薄膜沉積是在真空環(huán)境下，利用等離子體中的荷能離子轟擊靶材表面，使靶材上被轟擊出來(lái)的原子或離子沉積在基體表面生長(zhǎng)成具有特定功能的薄膜。磁控濺射技術(shù)是薄膜沉積工藝的一種，是利用電磁場(chǎng)來(lái)控制真空室內(nèi)氣體異常輝光放電中離子、電子的運(yùn)動(dòng)軌跡及分布狀況的濺射鍍膜工藝過(guò)程。
[0003]目前國(guó)內(nèi)外研制的磁控濺射電源主要有直流濺射電源，射頻濺射電源，中頻濺射電源，脈沖濺射電源等幾種類(lèi)型。中頻濺射、射頻濺射和脈沖濺射能夠克服直流濺射過(guò)程中在做反應(yīng)膜時(shí)的電荷積累和放電，有效解決了靶中毒嚴(yán)重的現(xiàn)象，克服了濺射過(guò)程中陽(yáng)極消失的現(xiàn)象。中頻濺射要求兩個(gè)孿生靶，并且濺射速率比脈沖濺射低，射頻濺射電源工作頻率在十幾兆赫茲，設(shè)備成本很高，而脈沖濺射可以在直流濺射設(shè)備上直接進(jìn)行，只需單個(gè)靶材即可，濺射速率比中頻濺射高，工作頻率在幾十千赫茲，成本大大低于射頻濺射電源。脈沖濺射電源是采用矩形波電壓的脈沖電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流濺射電源進(jìn)行薄膜沉積。
[0004]中國(guó)專(zhuān)利(申請(qǐng)?zhí)?CN201310024628)公開(kāi)了一種高能量脈沖式磁控濺射方法及磁控濺射裝置，其中，該高能量脈沖式磁控濺射裝置，包括真空腔、抽真空設(shè)備、電源、中央控制單元，其特征在于，所述電源包括脈沖發(fā)生單元、偏壓電源和直流電源；所述偏壓電源連接于樣品上，所述直流電源連接于靶材上，所述脈沖發(fā)生單元通過(guò)數(shù)據(jù)線與中央控制單元連接，并且該脈沖發(fā)生單元由直流電源推動(dòng)產(chǎn)生脈沖電流，并將該電流輸出至真空腔的靶材中。然而該高能量脈沖式磁控濺射裝置并沒(méi)有詳細(xì)記載磁控濺射裝置的電路結(jié)構(gòu)組成，僅僅闡述了其工作原理，導(dǎo)致本領(lǐng)域技術(shù)人員無(wú)法根據(jù)其公開(kāi)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0005]西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)(2013年第29卷第2期，作者:陳桂濤等)公開(kāi)了一種基于FPGA的新型非對(duì)稱(chēng)雙極脈沖磁控濺射電源的研宄，該文獻(xiàn)研宄了基于FPGA的非對(duì)稱(chēng)雙極脈沖電源，解決了磁控濺射工藝中遇到的共性問(wèn)題，同時(shí)獲得了優(yōu)異的膜層性能和更寬的工藝范圍?？梢愿鶕?jù)磁控濺射電源工藝需求對(duì)雙向脈沖參數(shù)包括脈沖幅值、頻率、占空比，以及正負(fù)向個(gè)數(shù)和正向脈沖與負(fù)向脈沖之間的換向時(shí)間等自由調(diào)節(jié)。最后設(shè)計(jì)了一個(gè)6kff/100kHz樣機(jī)，前級(jí)采用兩個(gè)獨(dú)立的DC/DC變換器作為直流源，后級(jí)為一個(gè)非對(duì)稱(chēng)脈沖發(fā)生器。采用Altera公司的FPGA(EP3C25Q240C8)作為數(shù)字處理器實(shí)現(xiàn)了電源的數(shù)字控制，同時(shí)對(duì)后級(jí)脈沖變換環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)高自由度控制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。然而，該磁控濺射電源的矩形電壓生成部分采用全橋逆變加整流的方式實(shí)現(xiàn)，功率開(kāi)關(guān)管數(shù)量多，電源成本增加，并且電源控制復(fù)雜，影響電源可靠性。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種性能穩(wěn)定、成本較低、具有高脈沖峰值電壓的高功率脈沖磁控濺射電源。
[0007]本實(shí)用新型通過(guò)以下技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn):一種脈沖濺射電源，包括順序連接的三相整流電路、逆變電路、高頻變壓器、整流濾波電路、脈沖發(fā)生電路；其特征在于:所述脈沖發(fā)生電路的結(jié)構(gòu)為:包括開(kāi)關(guān)管V輸出端連接于電感L抽頭a端；電感L抽頭ο端連接于直流電源電路負(fù)極，電感L抽頭b端與磁控濺射裝置靶材相連，開(kāi)關(guān)管V輸入端與磁控濺射裝置基板共同相連于直流電源電路正極；所述開(kāi)關(guān)管V的控制端與PWM控制電路連接。
[0008]優(yōu)選為:還包括中央處理器、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)采集模塊、保護(hù)模塊、上位機(jī)、液晶顯示模塊、信號(hào)輸入模塊；所述中央處理器為ARM系統(tǒng)；所述信號(hào)采集模塊包括電壓采樣電路、電流采樣電路；所述保護(hù)模塊包括過(guò)流及短路保護(hù)電路。
[0009]優(yōu)選為:所述三相整流電路的輸入端與空氣開(kāi)關(guān)輸出端連接；所述空氣開(kāi)關(guān)的輸入端連接快速可恢復(fù)保險(xiǎn)管。
[0010]優(yōu)選為:所述驅(qū)動(dòng)電路包括對(duì)逆變電路的驅(qū)動(dòng)和對(duì)脈沖發(fā)生電路的驅(qū)動(dòng)；所述驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是由ARM系統(tǒng)產(chǎn)生并經(jīng)過(guò)光電隔離電路處理后生成的。
[0011 ] 優(yōu)選為:所述電流采樣電路包括對(duì)所述整流濾波電路的輸出電流以及對(duì)脈沖發(fā)生電路的輸出電流采樣電路。
[0012]優(yōu)選為:所述電流采樣電路包括電流傳感器，所述電流傳感器采用霍爾電流傳感器。
[0013]優(yōu)選為:所述電壓采樣電路包括對(duì)所述整流濾波電路的輸出電壓以及對(duì)脈沖發(fā)生電路的輸出電壓采樣電路。
[0014]優(yōu)選為:所述電壓采樣電路、電流采樣電路經(jīng)過(guò)A/D采樣電路后傳輸?shù)紸RM控制芯片。
[0015]優(yōu)選為:所述上位機(jī)與ARM系統(tǒng)之間的信號(hào)傳輸為無(wú)線傳輸，優(yōu)選為4G網(wǎng)絡(luò)傳輸。
[0016]有益效果:本實(shí)用新型解決現(xiàn)有技術(shù)中功率開(kāi)關(guān)管過(guò)多造成的電源可靠性下降，提供一種動(dòng)態(tài)特性好、成本較低、控制簡(jiǎn)單可靠的一種脈沖濺射電源。
【附圖說(shuō)明】
[0017]附圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]附圖2為本實(shí)用新型直流電源電路結(jié)構(gòu)示意圖
[0019]附圖3為本實(shí)用新型脈沖發(fā)電電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]附圖4為本實(shí)用新型電壓采樣電路示意圖；
[0021]附圖5為本實(shí)用新型電流采樣電路示意圖；
[0022]附圖6為本實(shí)用新型過(guò)流短路保護(hù)電路示意圖；
[0023]附圖7為本實(shí)用新型電壓采樣流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]參見(jiàn)附圖1所示。
[0025]—種脈沖濺射電源，包括順序連接的三相整流電路、逆變電路、高頻變壓器、整流濾波電路、脈沖發(fā)生電路；其特征在于:包括中央處理器、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)采集模塊、保護(hù)模塊、上位機(jī)、液晶顯示模塊、信號(hào)輸入模塊；所述中央處理器為ARM系統(tǒng)；所述信號(hào)采集模塊包括電壓采樣電路、電流采樣電路；所述保護(hù)模塊包括過(guò)流及短路保護(hù)電路。所述三相整流電路的輸入端與空氣開(kāi)關(guān)輸出端連接；所述空氣開(kāi)關(guān)的輸入端連接快速可恢復(fù)保險(xiǎn)管。所述驅(qū)動(dòng)電路包括對(duì)逆變電路的驅(qū)動(dòng)和對(duì)脈沖發(fā)生電路的驅(qū)動(dòng)；所述驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是由ARM系統(tǒng)產(chǎn)生并經(jīng)過(guò)光電隔離電路處理后生成的。所述電流采樣電路包括對(duì)所述整流濾波電路的輸出電流以及對(duì)脈沖發(fā)生電路的輸出電流采樣電路。所述電流采樣電路包括電流傳感器，所述電流傳感器采用霍爾電流傳感器。所述電壓采樣電路包括對(duì)所述整流濾波電路的輸出電壓以及對(duì)脈沖發(fā)生電路的輸出電壓采樣電路。所述電壓采樣電路、電流采樣電路經(jīng)過(guò)A/D采樣電路后傳輸?shù)紸RM系統(tǒng)。所述上位機(jī)與ARM系統(tǒng)之間的信號(hào)傳輸為無(wú)線傳輸，優(yōu)選為4G網(wǎng)絡(luò)傳輸。所述ARM系統(tǒng)的信號(hào)輸入為鍵盤(pán)輸入或無(wú)線輸入；所述ARM系統(tǒng)的顯示為液晶顯示或數(shù)碼管顯示。
[0026]參見(jiàn)附圖2所示。所述三相整流電路、逆變電路、高頻變壓器、整流濾波組成直流電源電路。整流橋Dl及濾波電容C2組成三相整流電路；Q1、Q2、Q3和Q4組成逆變電路；T1為高頻變壓器；整流橋D2、電感Lo、電容C4組成整流濾波電路。所述逆變電路開(kāi)關(guān)管Ql與開(kāi)關(guān)管Q4、開(kāi)關(guān)管Q2與開(kāi)關(guān)管Q3交替導(dǎo)通與關(guān)斷。
[0027]三相380V交流電經(jīng)整流電路后，變換為大小540V的直流電，經(jīng)逆變電路，將直流電變換為20KHZ的交流電并送入高頻變壓器，進(jìn)行升壓變換，高壓高頻交流電經(jīng)過(guò)整流濾波變換為直流電。
[0028]ARM系統(tǒng)包括ARM微控制器:鍵盤(pán)輸入、液晶顯示主要負(fù)責(zé)電源參數(shù)的預(yù)置和電源工作狀態(tài)顯示，此外ARM系統(tǒng)其具有很強(qiáng)的通信能力，可通過(guò)專(zhuān)用接口實(shí)現(xiàn)與外部計(jì)算機(jī)間的通信，從而可以非常方便地實(shí)施網(wǎng)絡(luò)化管理與軟件控制程序的升級(jí)。ARM系統(tǒng)利用傳感器進(jìn)行電流、電壓信號(hào)的采樣，并將電流、電壓反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理直接輸入ARM，通過(guò)ARM內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，將電流、電壓反饋的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)；由鍵盤(pán)輸入的電流、電壓、頻率、脈沖寬度的給定信號(hào)以數(shù)字量的形式傳送給ARM ;ARM根據(jù)各信號(hào)給定值與反饋值，基于數(shù)字PID控制進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生PWM脈沖序列；ARM輸出的PWM信號(hào)通過(guò)光電隔離、驅(qū)動(dòng)電路，控制逆變電路和脈沖發(fā)生電路中的功率開(kāi)關(guān)器件IGBT的通斷，得到設(shè)定的輸出電壓和電流。所述ARM控制器優(yōu)選為ARM8。
[0029]參見(jiàn)附圖3所示。所述脈沖發(fā)生電路的結(jié)構(gòu)為:包括開(kāi)關(guān)管V輸出端連接于電感L抽頭a端，電感L抽頭ο端連接于直流電源電路負(fù)極，電感L抽頭b端與磁控濺射裝置靶材相連，開(kāi)關(guān)管V輸入端與磁控濺射裝置基板共同相連于直流電源電路正極；所述開(kāi)關(guān)管V的控制端與PWM控制電路連接；所述PWM控制電路生成PWM控制信號(hào)后經(jīng)過(guò)光電隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路后控制所述脈沖發(fā)生電路中開(kāi)關(guān)管