Импульсный биполярный источник питания для магнетронных распылительных систем Оскирко Владимир Олегович

Содержание к диссертации

Введение

1. Магнетронное распыление и импульсные источники электропитания для его реализации 13

1.1 Метод магнетронного распыления и магнетронная распылительная система 14

1.2 Повышение стабильности процессов реактивного магнетронного распыления с помощью питания повышенной частоты 21

1.3 Системы ионной обработки подложек 32

1.4 Импульсные ИП повышенной частоты для магнетронных распылительных систем

1.4.1 Униполярные ИП повышенной частоты 37

1.4.2 Биполярные ИП повышенной частоты для дуальных магнетронных распылительных систем 42

1.4.3 Асимметричные импульсные биполярные ИП повышенной частоты для одиночных магнетронных распылительных систем 46

Выводы по первой главе 56

2. Исследование алгоритма управления формирователя биполярных импульсов и анализ режимов коммутации силовых ключей 58

2.1 Функциональная схема, принцип действия и основные параметры формирователя биполярных импульсов 58

2.2 Процесс формирования выходных импульсов

2.2.1 Работа формирователя с резистивной нагрузкой 61

2.2.2 Работа формирователя с магнетронной распылительной системой и системой ионной обработки подложки 74

2.2.3 Алгоритм управления транзисторами формирователя биполярных импульсов

2.3 Режим подавления электрических дуг 88

2.4 Сравнение и выбор полупроводниковых элементов формирователя биполярных импульсов 92

2.5 Демпфирующие цепи формирователя биполярных импульсов

2.5.1 Демпфирующие цепи основного транзистора. 99

2.5.2 Демпфирующие цепи транзистора, формирующего положительные импульсы 104 Выводы по второй главе 107

3. Разработка компьютерной модели и исследование регулировочных и энергетических характеристик формирователя биполярных импульсов 108

3.1 Модели демпфирующих цепей 108

3.1.1 Диссипативные демпфирующие цепи основного транзистора 111

3.1.2 Рекуперативные демпфирующие цепи основного транзистора 121

3.1.3 Демпфирующие цепи транзистора, формирующего положительные импульсы 132

3.2 Моделирование схемы формирователя биполярных импульсов с различными типами нагрузок 138

3.2.1 Моделирование работы с резистивно-индуктивной нагрузкой 139

3.2.2 Расчет потерь мощности в формирователе биполярных импульсов 143

3.2.3 Моделирование работы формирователя биполярных импульсов с магнетронной распылительной системой 145

3.2.4 Моделирование работы формирователя биполярных импульсов с системой ионной обработки подложки 148

Выводы по третьей главе 151

4. Практическая реализация и экспериментальное исследование модульного источника питания на основе формирователя биполярных импульсов 153

4.1 Источники питания высокой мощности для магнетронных распылительных систем и систем ионной обработки подложек 153

4.2 Практическая реализация модульного источника питания высокой мощности на основе формирователя биполярных импульсов 157

4.3 Экспериментальное исследование формирователя биполярных импульсов в составе модульного источника питания

4.3.1 Работа формирователя с резистивно-индуктивной нагрузкой 163

4.3.2 Процессы коммутации силовых транзисторов 165

4.3.3 Температурные режимы 167

4.3.4 Работа формирователя биполярных импульсов с магнетронной распылительной системой 170

4.3.5 Работа формирователя биполярных импульсов в режиме предотвращения и подавления электрических дуг 174

4.3.6 Работа формирователя биполярных импульсов с системой ионной обработки подложки. 179

Выводы по четвертой главе 182

Заключение 183

Список аббревиатур 185

Список используемой литературы 186

• Униполярные ИП повышенной частоты
• Работа формирователя с резистивной нагрузкой
• Моделирование схемы формирователя биполярных импульсов с различными типами нагрузок
• Работа формирователя биполярных импульсов с магнетронной распылительной системой

Введение к работе

Актуальность темы

В настоящее время высококачественные тонкие пленки и покрытия
находят широкое применение во многих отраслях техники: электронике,
оптике, машиностроении и строительстве. Особое место среди различных
методов формирования тонких пленок занимают методы ионно-
плазменного напыления покрытий в вакууме, поскольку они
характеризуются высокой экологической безопасностью, чистотой
технологических процессов и качеством продукции. Атомы и молекулы,
находящиеся в ионизированном или возбужденном состоянии, легче
взаимодействуют друг с другом, что повышает эффективность процесса
напыления покрытия.

Магнетронное распыление является одним из наиболее

перспективных ионно-плазменных методов напыления покрытий в вакууме с точки зрения стабильности и управляемости процесса осаждения.

Для реализации процессов магнетронного распыления требуются
специализированные источники питания (ИП), которые позволяют
управлять параметрами плазмы путем изменения величины разрядного
тока, напряжения, частоты, длительности выходных импульсов и т.д.
Бурное развитие технологий магнетронного распыления в последние
десятилетия тесно связано с возникновением импульсных систем
электропитания для МРС, построенных на основе мощных

полупроводниковых ключей. Постоянное ужесточение требований к
функциональным покрытиям, увеличение размеров МРС и новые
практические применения магнетронных технологий стимулируют

разработку новых импульсных ИП, обладающих более высокой мощностью, управляемостью и надежностью.

К сожалению, уровень развития импульсных ИП для ионно-плазменных технологий в нашей стране существенно отстает от уровня развития технологических устройств. На производстве и даже в исследовательских лабораториях в настоящее время используются совершенно устаревшие конструкции, что существенно ограничивает развитие ионно-плазменных технологий.

Целью диссертационной работы является создание импульсных источников электропитания мощностью до нескольких десятков кВт, позволяющих повысить стабильность и производительность процессов магнетронного распыления и обеспечить потребности современных технологий ионно-плазменного напыления.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Провести анализ физических процессов, протекающих в МРС и СИОП, как в электрических нагрузках импульсных ИП. Найти причины возникновения характерных неустойчивостей в процессах магнетронного распыления. Определить способы и условия их предотвращения за счет изменения параметров импульсного электропитания. Рассмотреть схемы используемых импульсных источников электропитания для МРС и СИОП. Предложить концепцию ИП, удовлетворяющего потребности современных технологий магнетронного напыления.

2. Разработать формирователь выходных биполярных импульсов (ФБИ) и алгоритм для его управления, обеспечивающие диапазоны изменения частоты и длительности выходных импульсов, необходимые для достижения высокой стабильности и производительности процессов магнетронного распыления. Разработать алгоритм работы ФБИ в режиме подавления электрических дуг, позволяющий управлять её энергией.

3. Обеспечить режим мягкого переключения транзисторов ФБИ, необходимый для снижения динамических потерь, повышения энергоэффективности и надежности формирователя в режиме повышенной частоты.

4. Предложить электрические схемы замещения МРС и СИОП, адекватно отражающие электрофизические процессы, протекающие в них. Создать на их основе компьютерные модели ФБИ, работающего на нагрузку в виде МРС и СИОП. Рассчитать параметры элементов и получить его регулировочные и энергетические характеристики.

5. Практически реализовать импульсный источник питания для МРС и СИОП мощностью до нескольких десятков кВт и экспериментальные установки для исследования его работы с различными типами нагрузок. Получить реальные регулировочные и энергетические характеристики источника питания.

6. Экспериментально исследовать и подтвердить возможность увеличения скорости осаждения покрытий и снижения частоты возникновения электрических дуг с помощью импульсного источника питания на основе ФБИ в реактивных режимах магнетронного распыления.

7. Экспериментально исследовать и подтвердить возможность управления энергией электрической дуги в процессе магнетронного распыления. Определить минимальное значение и диапазон регулирования энергии, вкладываемой источником питания в дуговой разряд.

Объектом исследования является импульсный биполярный источник питания на основе формирователя асимметричных биполярных импульсов повышенной частоты (ФБИ) для магнетронных распылительных систем (МРС) и систем ионной обработки подложек (СИОП).

Предметом исследования являются электрофизические и

электромагнитные процессы, протекающие в ФБИ при его работе с

резистивной нагрузкой, МРС и СИОП, а также его регулировочные и энергетические характеристики.

Методы исследования базируются на общих положениях теории электрических цепей, теории алгебраических и дифференциальных уравнений, вычислительных методах и использовании современных инструментальных систем и методов схемотехнического моделирования с применением программного пакета инженерного проектирования LTspise. Проверка основных теоретических положений осуществлялась путем экспериментальных исследований на физических моделях.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается корректной постановкой задач, системным характером исследований, результатами компьютерного моделирования и физических экспериментов, проведенных на различных установках.

Научная новизна:

8. Установлено, что применение демпфирующих цепей в ФБИ при средней выходной мощности 10 кВт и частоте коммутации транзисторов 75 кГц позволяет в четыре раза снизить потери мощности в основном транзисторе, в два раза снизить потери мощности в транзисторе, формирующем обратные (положительные) импульсы, на 25 % сократить суммарные потери мощности в схеме.

9. Определены граничные условия для устойчивой надежной работы ФБИ с МРС и СИОП, исходя из длительности переходных процессов, протекающих в плазме, и длительности основных интервалов периода формирования выходных биполярных импульсов. Установлено, что для предотвращения чрезмерного увеличения тока в дросселе ФБИ и снижения амплитуды выходных импульсов напряжения необходимо обеспечить требуемое соотношение между длительностями основных интервалов периода формирования выходных импульсов. В частности, при работе ФБИ с МРС и СИОП длительность начального интервала отрицательного импульса должна быть на 2-2.5 мкс больше, чем длительность интервала положительного импульса.

10. Показано, что применение импульсного биполярного источника питания на основе ФБИ благодаря компенсации зарядов, накапливаемых на поверхности диэлектрических слоев, в процессе реактивного магнетронного напыления пленок Si0₂ позволяет в четыре раза снизить частоту возникновения дуг относительно импульсного униполярного питания и в 3х 10⁴ раз относительно питания постоянным током.

11. Экспериментально обнаружено, что применение импульсного биполярного источника питания на основе ФБИ в процессе реактивного магнетронного распыления пленок оксида циркония, стабилизированного иттрием (YSZ), позволяет в три раза увеличить скорость осаждения покрытия относительно использования импульсного униполярного питания и питания постоянным током.

5. Предложен и реализован с помощью ФБИ новый способ управления энергией электрической дуги, в котором дуговой разряд поддерживается постоянным током в течение заданного промежутка времени. Экспериментально установлено, что при средней мощности магнетронного разряда 6 кВт энергия дуги может регулироваться в диапазоне от 1,2 до 30 мДж.

Практическая значимость работы:

12. Разработан формирователь асимметричных биполярных импульсов повышенной частоты и алгоритм для его управления, способный предотвращать образование электрических дуг, увеличивать скорость осаждения покрытий в процессах реактивного магнетронного распыления и управлять энергией дугового разряда.

13. На основе ФБИ разработаны модульные источники питания мощностью от 10 до 80 кВт, обеспечивающие выходное напряжение в диапазоне от 330 до 1320 В, выходной ток - от 45 до 270 А, способные решать различные технологические задачи в области ионно-плазменного напыления покрытий.

14. С помощью разработанного источника питания для МРС найдены технологические режимы напыления слоев оксида циркония, стабилизированного иттрием, используемого в качестве электролита твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), а также пленок оксида кремния (SiO₂), используемых в качестве просветляющих слоев в низкоэмиссионных покрытиях.

Основные положения, выносимые на защиту:

15. Применение демпфирующих цепей в ФБИ при средней выходной мощности 10 кВт и частоте коммутации транзисторов 75 кГц позволяет в четыре раза снизить потери мощности основного транзистора, в два раза снизить потери мощности в транзисторе, формирующем обратные (положительные) импульсы, на 25 % уменьшить суммарные потери мощности в ФБИ.

16. Разработанный ФБИ и алгоритм для его управления, обеспечивающие диапазон регулирования частоты выходных импульсов от 1 до 75 кГц и длительности их положительной полярности от 3 до 10 мкс, предотвращают чрезмерное увеличение тока в дросселе и снижают амплитуду выходных импульсов напряжения, которые обусловлены нелинейным характером нагрузки, что, в свою очередь, позволяет обеспечить устойчивую и надежную работу импульсного источника питания с МРС или СИОП в режиме повышенной частоты.

17. Применение импульсного биполярного источника питания на основе ФБИ в реактивных режимах напыления пленок Si0₂ благодаря компенсации зарядов, накапливаемых на поверхности диэлектрических слоев, позволяет в четыре раза снизить частоту возникновения дуг относительно использования импульсного униполярного питания и в 3хЮ⁴ раз относительно режима постоянного тока.

4. Применение импульсного биполярного источника питания на основе ФБИ в процессе реактивного магнетронного распыления пленок оксида циркония, стабилизированного иттрием (YSZ), позволяет в три раза увеличить скорость осаждения покрытия относительно использования импульсного униполярного питания и питания постоянным током.

5. Предложенный способ управления электрической дугой, реализованный в импульсном биполярном источнике питания на основе ФБИ, позволяет регулировать энергию, передаваемую в дуговой разряд в диапазоне от 1,2 до 30 мДж, при средней мощности магнетронного разряда 6 кВт. При этом дуговой разряд поддерживается постоянным током в течение заданного промежутка времени.

Апробация работы и публикации

Материалы работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях:

1. 8-я Международная научно-техническая конференция «Вакуумная техника, материалы и технологии», Москва, Россия, 16-18 апреля, 2013 г.;

2. 11-я международная конференция “Пленки и покрытия-2013», Санкт-Петербург, Россия , 2013 г.;

3. 12-я международная конференция “Пленки и покрытия-2013», Санкт-Петербург, Россия, 2015 г.;

4. 12-я Международная конференция по модификации материалов пучками заряженных частиц и потоками плазмы, Томск, 2014 г.;

5. 20-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР - 2015», Томск, 2015 г.;

6. 12-я Международная конференция «Газоразрядная плазма и её применение», Томск, 2015.

Результаты исследований изложены в 11 статьях, в том числе 5, входящих в перечень ведущих периодических изданий ВАК. Новые технические решения, полученные в ходе выполнения работы, защищены российским патентом на полезную модель. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы внедрены:

1. в компании ООО «Прикладная электроника» (г. Томск), специализирующейся на создании современного оборудования для технологий нанесения тонкопленочных покрытий и модификации поверхности в виде конструкторской документации, на основе которой отлажено серийное производство источников электропитания для МРС и СИОП.

2. в Национальном исследовательском Томском политехническом университете в процессе выполнения НИОКР «Разработка тонкопленочной твердооксидной батареи топливных элементов с пониженной рабочей температурой и увеличенным ресурсом» (Договор № 01/0759/13 от

25.09.2013 г.). Применение импульсного биполярного ассиметричного питания МРС позволило увеличить скорость осаждения пленок ZrO₂:Y₂O₃ в три раза (до 12 мкм/ч) по сравнению с импульсным униполярным питанием и практически полностью исключить дугообразование на поверхности распыляемого катода. Благодаря применению импульсного биполярного питания МРС были изготовлены твердооксидные топливные элементы с двухслойным тонкопленочным электролитом на основе диоксида циркония и церата гадолиния с удельной мощностью 1 Вт/см² при рабочей температуре 750С.

Личный вклад автора

Для получения представленных в диссертационной работе результатов
автор внес определяющий вклад при постановке задач, разработке
основных схемных и конструктивных решений, анализе полученных
результатов. Автором лично спланированы и проведены эксперименты,
сделано большинство оценок, проанализированы и осмыслены полученные
результаты. Постановка задач, обсуждение полученных результатов,

окончательное формулирование положений, выносимых на защиту,

осуществлялись при участии научных руководителей Н.С. Сочугова, В.Д. Семенова. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.

Структура и краткое содержание работы

Диссертационная работа изложена на 194 страницах основного текста. Состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 112 наименований и приложения. Содержит 147 рисунков и 8 таблиц.

Униполярные ИП повышенной частоты

Для подавления дуг также используют временное отключение питающего напряжения с помощью ключевых элементов. При этом энергия горения дуги определяется скоростью реакции ИП и величиной энергии, запасаемой в выходных цепях. Благодаря использованию современных полупроводниковых приборов (IGBT, MOSFET) удалось уменьшить время отключения выходного напряжения до нескольких мкс, что соответствует уменьшению энергии дуги до десяток или даже единиц мДж, при средней выходной мощности несколько кВт.

Время существования дуги зависит от скорости её детектирования. Как известно, возникновение дуги проявляется в возрастании тока и резком падении напряжения разряда [28]. Следовательно, в ИП МРС используются два способа обнаружения дуги. Первый способ заключается в контроле выходного тока. Система дугозащиты фиксирует увеличение тока и выключает выходное напряжение. Время, требуемое для увеличения тока до уровня детектирования, может составлять от нескольких единиц до сотен мкс, в зависимости от величины выходной индуктивности ИП. Другой способ заключается в фиксации падения напряжения, которое происходит практически мгновенно при возникновении дуги. Уровень детектирования устанавливается, как правило, в диапазоне от 50 до 150 В, поскольку напряжение горения дуги может иметь различную величину [29,30]. При уменьшении разрядного напряжения ниже уровня детектирования ИП снимает питающее напряжение. Время детектирования дуги по падению напряжения в современных ИП МРС не превышает 1 мкс [28]. Поэтому данный способ обеспечивает значительно меньшую энергию, вкладываемую в дуговой разряд, по сравнению с предыдущим способом.

Но не всегда требуется максимально быстрое подавление дуги. При работе с некоторыми материалами возникает необходимость увеличения энергии, передаваемой в дугу. В литературе описаны случаи, когда увеличение энергии дуги играло положительную роль в процессах реактивного распыления цинка, олова, алюминия в среде кислорода [31,32]. Объясняется это тем, что дополнительная энергия, передаваемая в дугу, позволяет очистить поверхность мишени от островков диэлектрика, которые являются причиной часто образующихся микропробоев. Возможность регулирования энергии горения дуги позволяет устанавливать оптимальное значение для конкретного распыляемого материала и реактивного газа. В случаях, когда ИП обеспечивает невысокую скорость роста выходного тока, энергия дуги регулируется путем изменения задержки отключения питающего напряжения или значения предельного тока [28,29]. Скорость увеличения выходного тока в этом случае определяется индуктивностью ИП. Стоит отметить, что увеличение энергии дуги при работе с хрупкими и легкоплавкими материалами может привести к разрушению мишени.

Таким образом, современный ИП для МРС должен обладать возможностью регулировки энергии, передаваемой в дугу. При работе с тугоплавкими материалами это позволит обеспечить оптимальную величину энергии дуги, позволяющей увеличить эффективность очистки поверхности мишени от диэлектрика. А при работе с хрупкими и легкоплавкими материалами ИП должен обеспечивать максимально быструю реакцию и минимальную энергию дуги для того, чтобы предотвратить повреждение мишени и образование дефектов в напыляемом покрытии.

Для обеспечения высокой стабильности процесса распыления, кроме эффективной реакции на электрические дуги, ИП должен решать задачу восстановления магнетронного разряда. Для этого необходимо создать условия, исключающие повторное загорание дуги и обеспечивающие восстановление рабочего режима МРС.

Паузы, формируемой в случае возникновения дуги, должно быть достаточно для рассеивания носителей заряда и остывания катодного пятна. К примеру, для эффективного гашения дуг на катоде из легированного галлием оксида цинка используются отключение питающего напряжения на время не менее 100 мкс [33]. С другой стороны, отключение питающего напряжения не должно быть слишком большим, поскольку в это время реакционный газ реагирует с поверхностью мишени и образуется диэлектрическое покрытие. Чем больше площади катода в течение паузы покроется непроводящим слоем, тем сложнее ИП будет восстановить первоначальный режим. В работе [34] эффективное время паузы в реактивном режиме распыления составило не более 0.8 – 1 мс.

Оптимальная длительность паузы зависит от распыляемого материала, реактивного газа, параметров процесса распыления и МРС. Поэтому ИП МРС должен обладать возможностью регулировки длительности паузы после возникновения дуги.

Устранение причин возникновения микродуг на катоде магнетрона с помощью импульсного питания повышенной частоты. Одного лишь быстрого отключения питания дуги недостаточно для обеспечения высокой стабильности процесса реактивного магнетронного распыления. Для обеспечения высокой стабильности необходимо снижать вероятность возникновения дуг. Эффективным способом решения данной задачи является применение импульсного питания МРС повышенной частоты.

Униполярное импульсное питание повышенной частоты позволяет снизить вероятность возникновения дуг. Обнаружено, что при увеличении частоты формирования импульсов питания снижается количество возникающих на катоде дуг [35]. В этом режиме на мишень магнетрона подаются периодические импульсы напряжения повышенной частоты (от 1 до 1000 кГц). Каждый период формирования импульсов обладает отрицательным импульсом, во время которого происходит распыление, и паузой, в течение которой устраняются заряды на поверхности диэлектрика. Положительный заряд на диэлектрике снимают электроны из деионизирующейся плазмы. Для них поверхность диэлектрика во время паузы является виртуальным анодом. Длительности паузы должно быть достаточно для компенсации накопленных зарядов. Для надежного предотвращения дуг в униполярном режиме рекомендуют выбирать длительность паузы, равной периоду деионизации, т.е. 100 мкс и более [1]. Чтобы избежать снижения средней мощности разряда и скорости распыления при увеличении времени паузы, приходится увеличивать ток во время отрицательного импульса [36].

Для увеличения скорости компенсации зарядов на диэлектрике и реализации режима бездуговой работы в течение паузы между отрицательными импульсами к разрядному промежутку прикладывается обратное (положительное) напряжение. В этом случае длительность паузы может быть сокращена до 10 - 20% от времени периода. Большая амплитуда положительных импульсов может привести к распылению анода и загрязнению осаждаемого покрытия, поэтому целесообразно использование положительного напряжения в диапазоне от 40 до 100 В [15,33,37].

В статье [15] подробно описан механизм предотвращения дуг при напылении Al2O3 с помощью среднечастотного ассиметричного биполярного питания. На рис. 1.8 изображены процессы, протекающие на поверхности мишени при подаче на мишень магнетрона биполярных импульсов напряжения.

Работа формирователя с резистивной нагрузкой

В процессе формирования выходных импульсов нагрузка оказывает сильное влияние на форму выходных импульсов. Даже при работе с резистивной нагрузкой форма выходных импульсов может значительно отличаться от формы, показанной на рис. 2.2. В случае МРС и СИОП нагрузка обладает нелинейными свойствами, когда проводимость разрядного промежутка изменяется в течение периода и зависит от полярности прикладываемого напряжения. Следовательно, форма выходных импульсов становится более сложной. Поэтому при исследовании ФБИ необходимо учитывать процессы, протекающие в вакуумной камере.

В начале данного раздела рассматривается работа формирователя с резистивной нагрузкой. Далее приведены результаты аналитического исследования ФБИ, работающего с МРС и СИОП.

ФБИ может работать в режиме непрерывного выходного тока и в импульсном режиме. Для начала рассмотрим режим непрерывного выходного тока.

Режим постоянного выходного тока. При включении ФБИ в режиме постоянного выходного тока открывается транзистор VТ1. При этом транзисторы VТ2 и VТ3 находятся в выключенном состоянии. В начальный момент все напряжение емкости С1 распределяется между L1 и L2 пропорционально количеству витков в каждом из них: (2.2) (2.3) где – напряжение на накопительной емкости С1, k – коэффициент трансформации, а и и - количество витков в дросселях L1 и L2.

После включения транзистора VT1 в дросселях L1 и L2 экспоненциально увеличивается ток, протекающий по цепи С1-VT1-L1-VD3-L2-Rн, как показано на рис. 2.3. Ток формирует в сердечнике магнитосвязанных дросселей общий магнитный поток.

Скорость роста тока определяется общей индуктивностью дросселей L1 и L2, а также сопротивлением нагрузки. Длительность переходного процесса составляет: (2.4) где - общая индуктивность последовательно включенных магнитосвязанных дросселей L1 и L2, а – сопротивление нагрузки.

По мере увеличения выходного тока уменьшается напряжение, прикладываемое к дросселям. В установившемся режиме все напряжение накопительной емкости C1 прикладывается к нагрузке, и через неё протекает ток: (2.5) Величина выходного тока ФБИ регулируется путем изменения уровня напряжения на накопительной емкости С1.

ФБИ может находиться сколько угодно в режиме непрерывного выходного тока, если величина тока нагрузки не превышает установленное максимальное допустимое значение, регулируемое в диапазоне от 5 до 45 А. В случае его превышения включается СПД, принцип действия которой рассматривается далее.

Прекращение подачи выходного напряжения происходит при выключении транзистора VT1 и одновременном включении VT2. В результате накопительная емкость С1 отключается от нагрузки, а ток, разогнанный в дросселе L1, замыкается в цепи L1-VT2-VD1. Режим импульсного выходного тока. Перейдем к рассмотрению импульсного режима работы ФБИ. На рис. 2.5. изображены импульсы управления силовыми транзисторами, а также диаграмма напряжения и тока на различных участках схемы формирователя. Допустим, что к моменту времени схема перешла в установившийся режим, при этом: (2.6) (2.7) Момент времени примем за начало периода формирования импульсов. Как уже было отмечено, период формирования импульсов включает в себя интервал положительного импульса и отрицательного импульса . Отрицательный импульс делится на начальный интервал и основной интервал . Рассмотрим все перечисленные интервалы в порядке их следования. Положительный импульс. Формирование положительного импульса начинается при включении транзисторов VT2 и VT3. Транзистор VT1 также находится в замкнутом состоянии, поскольку его включение произошло до момента . На рис. 2.4. изображено состояние схемы на интервале t+. Рисунок 2.4 - ФБИ во время формирования положительного выходного импульса. В течение положительного импульса магнитосвязанные дроссели L1 и L2 выступают в качестве трансформатора. Дроссель L1 в данном случае является первичной обмоткой трансформатора, которая через открытые транзисторы VТ1 и VТ2 соединяется параллельно с емкостью С1. На дросселе L2 формируется положительное напряжение , равное: (2.8) Положительное напряжение на дросселе L2 запирает диод VD3, через который протекал отрицательный ток в нагрузку. Положительный ток протекает в нагрузку по цепи L2-Rн- VT2-R1 VT3. Величина положительного тока зависит от напряжения , сопротивления нагрузки и ограничительного резистора : (2.9) Амплитуда положительного импульса напряжения равна: (2.10) Поскольку амплитуда положительных импульсов напряжения не должна превышать 30 % от амплитуды отрицательных импульсов, коэффициент трансформации должен быть равен 0.3. Рассмотрим процессы, протекающие в первичном контуре схемы в течение положительного импульса. В момент происходит резкое увеличение тока в L1 от до , обусловленное переключением обмоток и возникновением тока, трансформируемого во вторичную обмотку (дроссель L2):

Моделирование схемы формирователя биполярных импульсов с различными типами нагрузок

Принцип обнаружения и подавления дуг при работе с МРС и СИОП аналогичен, поэтому будем рассматривать работу СПД на примере МРС. Подавление дуг осуществляется с помощью реверсивного импульса положительной полярности и последующей паузы. На рис. 2.17 и 2.18 приведены эпюры тока и напряжения, поясняющие принцип действия СПД в различных режимах.

Для начала рассмотрим работу СПД в режиме детектирования дуги по падению напряжения с минимальной задержкой. На рис. 2.17.а приведены диаграммы напряжения и тока на выходе ФБИ, а также импульсы управления транзисторами в заданном режиме. До момента возникновения дуги на интервале [0, ] магнетрон находится в рабочем режиме, горит аномальный тлеющий разряд. На выходе ФБИ протекает ток . Для детектирования падения напряжения устанавливается пороговое напряжение . Уровень регулируется в диапазоне от 50 до 150 В. Он устанавливается выше напряжения горения дуги , но ниже разрядного напряжения

В момент времени на катоде магнетрона происходит пробой, который сопровождается практически мгновенным падением напряжения до напряжения горения дуги . Когда напряжение на выходе ФБИ становится меньше , СПД детектирует возникновение дуги. Обнаружение дуги и переключение транзисторов происходит в течение интервала 1 мкс. В течение этого времени происходит увеличение выходного тока. Благодаря большой суммарной индуктивности дросселей L1 и L2 (3.4 мГн) увеличение тока за это время не превышает 0.1 А. На эпюре серым цветом обозначен ток и напряжение дуги. После включения транзисторов VT2 и VT3 в момент времени происходит смена полярности выходного напряжения. Скорость изменения выходного тока определяется индуктивностью рассеяния магнитосвязанных дросселей и паразитной индуктивностью кабелей, соединяющих ИП с нагрузкой. Положительное напряжение способствует быстрому изменению полярности выходного тока и позволяет снять заряд, накопленный на поверхности диэлектрика. В установившемся режиме к разрядному промежутку прикладывается напряжения , и протекает положительный ток . Длительность положительного импульса регулируется в диапазоне от 3 до 10 мкс. В момент времени выключается транзистор VT1, после чего следует пауза, регулируемая в диапазоне от 1 до 50 мс. В момент снова открывается транзистор VT1, при этом транзисторы VT2 и VT3 закрываются. В результате на выходе ФБИ формируется отрицательное напряжение и восстанавливается процесс магнетронного распыления.

В данном режиме работы СПД обеспечивается максимальная скорость подавления дуги. Высокая скорость реакции СПД позволяет существенно снизить энергию, вкладываемую в дугу. Расчетное значение энергии, передаваемой ИП в дугу при I0 = 45 А при времени реакции 1 мкс, согласно выражению (1.3), не превышает 5 мДж. Заданный режим является предпочтительным для работы с легкоплавкими и хрупкими материалами, а также для процессов напыления бездефектных покрытий.

При работе с некоторыми материалами требуется увеличивать энергию, вкладываемую в дугу. При этом оптимальная величина энергии зависит от материала и реактивного газа. При реализации СПД был предложен способ управления энергией дуги, основанный на поддержании дуги постоянным током в течение заданного промежутка времени. Эпюра на рис. 2.17.б демонстрирует работу СПД в режиме управления энергией, передаваемой в дуговой разряд.

После детектирования дуги в момент времени СПД выключает транзистор VT1, при этом транзисторы VT2 и VT3 остаются в выключенном состоянии. В результате накопительная емкость С1 отключается от нагрузки, а формирование выходного импульса продолжается за счет энергии, запасенной в дросселях L1 и L2. В течение интервала происходит медленное снижение выходного тока. Скорость уменьшения тока определяется напряжением горения дуги и суммарной индуктивностью дросселей. Поскольку напряжение горения дуги составляет всего 20 - 100 В, скорость снижения выходного тока в дросселях не привышает 0.03 А/мкс. Длительность данного интервала регулируется в диапазоне от 0 до 50 мкс, следовательно, спад тока будет не более 1.5 А. В момент времени одновременно включаются все транзисторы ФБИ, а на выходе формируется положительный импульс, подавляющий дугу. Пренебрегая снижением выходного тока на интервале [ , ], энергия дуги может быть определена по формуле: (2.97) где 1 мкс – минимальное время реакции СПД на возникновение дуги в режиме детектирования по падению напряжения, = 1 50 мкс – длительность задержки реакции СПД после возникновения дуги. Исходя из (2.97), изменение длительности интервала будет приводить к пропорциональному изменению энергии дуги от единиц до нескольких десятков мДж. Управляя величиной энергии дугового разряда, можно повысить эффективность очистки поверхности мишени магнетрона от диэлектрических включений, тем самым снизить вероятность образования последующих дуг и повысить стабильность процесса распыления.

Возможно возникновение ситуаций, когда необходимо использовать другой способ детектирования дуг. Представленные на рис. 2.18.а эпюры тока и напряжения характеризуют работу системы подавления дуг при превышении порогового значения тока. В момент времени начинается формирование отрицательного напряжения на выходе ФБИ. Загорается аномальный тлеющий разряд в МРС, и происходит увеличение выходного тока. В момент возникает электрическая дуга, при этом напряжение не успевает достигнуть порогового значения . Следовательно, СПД не фиксирует возникновение дуги. Ток дугового разряда начинает увеличиваться с постоянной скоростью, определяемой индуктивностью дросселей L1 и L2. В момент выходной ток достигает установленного порогового значения , после чего СПД формирует положительный импульс, подавляющий дугу. Энергия горения дугового разряда в этом случае, в зависимости от величины порогового значения , составляет от 100 до 1000 мДж. Величина порогового тока устанавливается на 10–20% выше рабочего значения выходного тока, что позволяет избежать ложных срабатываний системы дугоподавления и уменьшить энерговклад в дугу.

Работа формирователя биполярных импульсов с магнетронной распылительной системой

Нанесение покрытий с высокой скоростью на поверхность с большой площадью обусловливает необходимость применения протяженных магнетронных распылительных систем. Для питания протяженных МРС необходимы ИП высокой мощности. К примеру, для работы МРС длиною 50 см требуется ИП с выходной мощностью приблизительно 10 кВт. Поскольку длина протяженной МРС может достигать нескольких метров, требуемая мощность ИП составляет десятки кВт.

Увеличение размеров МРС влечет за собой появление некоторых проблем. При увеличении площади мишени увеличивается вероятность образования дуг. Дугообразование на мишени в этом случае имеет более катастрофичные последствия, поскольку при образовании катодного пятна в нем концентрируется большая мощность. Поэтому к мощным ИП предъявляются жесткие требования по предотвращению образования и подавлению дуг.

В промышленных условиях ИП высокой мощности участвуют в длительных непрерывных процессах до нескольких десятков часов. Следовательно, важную роль играет надежность ИП и его ремонтопригодность.

Еще одним важным параметром современного ИП для ионно-плазменных технологий высокой мощности является его универсальность. На различных стадиях процесса обработки требуется различный уровень выходного напряжения и тока. Поэтому, как правило, в состав установки входит несколько ИП. Каждый источник используется лишь на конкретном этапе процесса. В результате существенно увеличивается стоимость и габариты системы электропитания установки.

Для построения ИП высокой мощности, отвечающего перечисленным требованиям, необходимо рассмотреть используемые концепции современных мощных систем электропитания.

В работе [93] приведено описание ИП серии TIG DCS мощностью 60 и 90 кВт, используемого в технологиях нанесения пленок прозрачных проводящих оксидов. Блок-схема источника питания приведена на рис. 4.1. Большая потребляемая мощность ИП потребовала использования отдельного силового линейного трансформатора для обеспечения гальванической развязки и получения требуемого уровня напряжения. Напряжение, поступающее от трансформатора, выпрямляется и фильтруется в выпрямителе, выход которого подключен к преобразователю постоянного напряжения понижающего типа (ППН), который работает на фиксированной частоте 20 кГц. С помощью широтно-импульсного регулирования ППН управляет током в индуктивности фильтра (L1, С2, L2). На выходе ИП имеется блок защиты от дуг, включающий в себя два мощных IGBT транзистора VT1 и VT2 и источник положительного напряжения. Благодаря использованию мощного линейного трансформатора вместо ВЧ преобразователя удалось упростить схему и повысить её надежность. Однако в блоке ППН и в блоке защиты от дуг используются IGBT транзисторы высокой мощности. Такие транзисторы, как правило, имеют очень высокую стоимость и плохие частотные характеристики. Поэтому затруднено формирование импульсов повышенной частоты, позволяющих снизить вероятность возникновения дуг в процессе распыления.

Для обеспечения высокой мощности и удовлетворения высоких требований в источниках питания для ионно-плазменных технологий широко используются модульные принципы построения [94]. Модульные системы обладают очевидными преимуществами, такими, как: масштабируемость, гибкость, простота и мобильность. Кроме того, вопреки простейшим принципам классического анализа надежности («больше частей – больше вероятность отказа»), модульные системы на практике показывают более высокую отказоустойчивость, чем другие системы. Поэтому модульность является весьма распространенным принципом организации и рационализации различных сложных систем. Мощные системы электропитания для МРС и СИОП не являются исключением.

Так, к примеру, фирма Advanced Energy Industries, Inc использует модульную концепцию в ИП мультикатодных и одиночных МРС. На рис. 4.2 изображена блок-схема МИП серии Pinnacle Plus. ИП включает в себя несколько идентичных модулей мощностью 10 кВт.

Один из модулей является ведущим (т.е. «master»). В нем задаются все регулируемые параметры. С помощью каналов управления и синхронизации он связан с остальными силовыми модулями («slave»). В мультикатодной МРС (см. рис. 4.2.а) каждый силовой модуль подключен к отдельной мишени, при этом выходная мощность каждого модуля может изменяться независимо. В МРС с одной мишенью (см. рис. 4.2.б) выходы всех модулей объединены между собой. На магнетрон подается суммарная выходная мощность всех силовых модулей.

При обеспечении синхронизации модулей и равномерного распределения мощности модульные системы позволяют работать в режиме повышенной частоты и обладают высокой управляемостью и надежностью.

При повышении рабочей мощности разработчики прибегают к укрупнению модулей. Так, на рис. 4.3 приведена блок-схема и внешний вид ИП серии PulsarTM [9] мощность 80 кВт и более.

Как показано на рис. 4.3, ИП включает в себя два силовых импульсных модуля мощностью по 40 кВт и управляющее устройство. Силовые модули могут соединяться между собой параллельно для питания одиночных МРС или работать по отдельности с дуальными МРС. Мощность ИП PulsarTM , при использовании системы «Master/Slave» может достигать 480 кВт.

В рассмотренных МИП силовые модули соединяются между собой параллельно для обеспечения большого выходного тока. Модульная компоновка также может использоваться для получения импульсов высокого напряжения.

В работе [95] приведено описание модульного генератора высоковольтных импульсов. Такой источник относится к типу многоячеечных инверторов [96], в которых используется принцип сложения выходного напряжения нескольких ячеек.

Упрощенная схема источника приведена на рис. 4.4. Источник состоит из 10 ячеек, включенных параллельно по входу и последовательно по выходу. Каждая ячейка содержит накопительный конденсатор, который заряжается через выпрямитель от высокочастотного многообмоточного трансформатора. Транзистор коммутирует конденсатор на выход. Включение всех или нескольких ключей в модулях приводит к появлению на нагрузке импульса напряжения с амплитудой, равной сумме напряжений на накопительных конденсаторах ячеек. Можно коммутировать любое количество модулей. Если транзистор в модуле выключен, ток нагрузки протекает через обратный диод, включенный параллельно выходу модуля.

К достоинствам данной схемы следует отнести отсутствие высоковольтного импульсного трансформатора, возможность получения импульсов с короткими фронтами и регулируемой длительностью. Также необходимо отметить высокую гибкость представленной системы. Изменяя последовательность соединения выходных модулей, можно обеспечивать различную величину выходного тока и напряжения.

Такое достоинство обуславливает высокую перспективность применения модульной концепции в ИП для СИОП. Изменяя уровень максимального выходного напряжения и тока ИП, можно решать различные задачи, связанные с подачей электрического смещения на подложку. К примеру, высокое напряжение, необходимое для предварительной очистки и активации поверхности подложки, может быть достигнуто последовательным включением всех модулей. Низковольтное смещение подложки при нанесении покрытия может осуществляться при параллельном включении тех же модулей. При этом ИП сможет обеспечить большой ионный ток на подложке.