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度，改善了薄膜的微观结构，降低了内应力，因此可溅射生成100 μm的厚膜。在前期HPPMS 电源研制的基础上，我们开展了MPP 电源的研制工作。利用逆变模式的电源输出，兼顾单片机灵活控制模式，研制了脉冲电流200 A 的MPP 电源。本文将介绍电源的研制方案和利用该电源进行的等离子体放电特性研究。
1、电源设计
图1 给出了MPP 电源的整体结构。电源由直流电源、脉冲调制电路、波形规整电路、单片机控制系统以及文本器等单元构成。直流电源DC(1000V)采用自行研制的直流逆变电源，0 V~1000 V 电压可调。IGBT 脉冲调制电路中采用多个IGBT 并联技术，IGBT 型号为IGBTFGL60N170D， 波形规整电路是将直流规整成所需要的电压波形。选用的单片机控制芯片是STC12C5A60S2，它是STC 生产的单时钟/ 机器周期(1T)的单片机，是高速/ 低功耗/超强抗干扰的新一代8051 单片机，指令代码完全兼容传统8051，有2 路PWM，8 路高速10 位A/D 转换，时钟电路采用12 M 的晶振，基本上可以满足功能要求。然后选用OP320文本器作为参数显示屏与控制器，完成人机交互功能，再通过Modbus 协议与单片机进行数据交换。
图1 MPP 电源系统结构
在主电路中用IGBT 把直流电源调制成一定频率的高压脉冲，通过调节占空比或脉冲频率调节IGBT 导通与关断时间，然后经波形规整电路，获得所需要的阶梯波形，如图2 所示。
本文利用单片机产生控制脉冲，由于利用单片机中的PCA 模块产生PWM 波形，占空比调节时需要对系统时钟进行分频。程序中用下降沿中断进行脉冲计数，来控制每个台阶的长度，利用单片机中定时器0 控制脉冲总频率。最终形成脉冲控制信号中一个大脉冲中包含许多占空比不同的小脉冲。
图2 电压波形规整效果
IGBT 能够承受的过流保护时间小于5 μm，电流越大，承受的时间越短，所以过流保护电路非常重要。当采用12 MHz 晶振时，单片机一个机器周期为1 μm，再附加中断和计算，整体反应速度较慢，本文没有采用单片机作为过流保护控制单元，而是利用霍尔传感器进行电流采集，然后用LM393 直接与设定保护电压比较，产生保护信号触发NE555，屏蔽单片机的脉冲信号，最后把保护信号输入给单片机，进行保护处理。最终电源参数为：脉冲电流200 A，脉冲电压1000V，小脉冲频率47 kHz，总脉冲频率17Hz~1 kHz，总脉宽500 μs~3000 μs，总功率10 kW，脉冲台阶数可调。
2、MPP放电特性
2.1、典型的电压-电流波形
用自行研制的MPP 电源首先在水负载上试验，电压- 电流波形如图3 所示。上面曲线代表电压波形(200 V/ 格)，下面曲线代表电流波形(5 A/ 格)。可见电源能实现阶梯电压输出，同时波形形状可以任意设定，如1 阶方波、2 或3 阶阶梯波;电压波形可以前高后低或前低后高;电压波形也可以中间高、两边低或者中间低两边高。放电波形脉冲宽度可达3000 μs，相对于传统HPPMS 模式，属于长脉宽放电。对比发现：当第一个台阶为低电压、第二个台阶为高电压时，波形很好。如果第一个台阶是高电压脉冲时，电压尖峰非常高，这是由于电路回路电感/ 电容振荡造成的。最后一个台阶的下降沿比较平缓，这是由于回路的容性效应造成的。
a)2 阶/ 前低后高;b)2 阶/ 前高后低;c)3 阶/ 前低后高;d)3 阶/ 前高后低;e)3 阶/ 中间低;f)1 阶
图3 水负载条件下获得电压- 电流波形
随后在真空室上利用Cu 靶(Ф40 mm)的进行试验，放电气压为1 Pa，工作气体为氩气。所获得的电压、电流波形如图4 所示。可见随着放电电压的变化，电流也表现出明显的阶梯波形，主要由初始的小电流放电和后期的高功率脉冲放电组成。对于Cu 靶来说，低电压时放电很弱，工作电流很小，类似于传统的直流放电。当工作电压高于500 V 时，电流随着电压迅速上升，此时继续增大电压，会达到大电流稳定放电状态，即高功率放电状态。与水负载不同，等离子体放电条件下，一旦大电流高功率放电阶段出现，甚至可以在低电压下获得大电流，即出现负阻态，也可以出现在同样电压获得不同放电电流(如图4e所示)。特别注意的是：在MPP 工作模式下，电压的微小变化可以诱导较大的电流变化。
MPP 电源一般产生高密度金属离子是通过两个过程。在整个脉宽时间段，首先初始的小电流放电，然后紧跟一个大电流的脉冲放电，如图4a 所示。前者金属溅射和离化率均较低，但这个阶段很重要，可以大大降低随后高电压/ 大电流激烈放电的引燃打火几率。高离化率阶段是整个磁控溅射中最重要的放电阶段，电流和功率都很高。可见这种组合方式提高了等离子体放电的稳定性和金属离化率。
a)2 阶/ 前低后高;b)2 阶/ 前高后低;c)3 阶/ 前低后高;d)3 阶/ 前高后低;e)3 阶/ 中间低;f)1 阶
图4 Cu 靶真空放电负载条件下的电压- 电流波形
2.2、放电电压对波形形状的影响
图5 给出了不同放电电压下的Cu 靶放电波形演变。放电气压为1 Pa，工作气体为氩气。可见随着放电电压的提高，放电电流也不断增大。在研究的电压变化范围内，第一阶电压阶段，放电电流很小，说明激发功率较小。但是当第一阶电压为550 V 时(图5d)，已经能够明显获得放电电流。对比图5a 和图5b 可以发现，高功率脉电存在一个突变状态。一旦引燃，放电可以在相同电压附近表现出不同的激发电流。在高功率放电前，放电类似于传统的直流放电，一旦转变为高功率状态，电流迅速变大，如从4 A 转化为15 A。图5b 给出一个很有意思的试验结果,一旦电压达到相应数值，放电会转化为高功率状态，产生一段脉冲峰值电流，随后是脉冲维持电流，但很快又回落到传统的类直流放电状态，尽管此时放电电压仍然很高。随着放电电压的提高，高功率状态维持时间增加。当电压增加到600 V 时，高功率状态可以维持到脉冲结束。
图5 放电电压对靶电流波形的影响
2.3、放电气压对波形形状的影响
图6 给出了放电气压对电流- 电压波形形状的影响。保持输入电压不变，气压变化为1.5 Pa，1 Pa，0.7 Pa，0.6 Pa。可见不同的放电气压诱导出不同的靶电流，也影响着靶上电压形状。随着气压的降低，第一阶段的电流很快减小，甚至消失。与此不同，第二阶段的高功率放电电流基本不变，说明放电电流对气压依赖不明显。但是放电气压却影响着整个放电时间，随着气压降低，高功率引燃时刻不断地后移。当气压降到0.6 Pa 时已经无法获得高功率放电状态。为了在低气压阶段获得高功率放电，本文研究在初始阶段增加了一个引燃脉冲(如图7 所示)。该脉冲引起瞬间的大电流放电，这种强放电诱导了“afterglow”效应，使得第一台阶电压下的微放电可以维持，结果在高功率脉冲阶段获得了较高的放电电流。如果省略掉第一个台阶，在脉冲引燃后直接进入高功率状态，也可以获得较大的放电电流。可见本文设计的电路具有极大的灵活性和放电稳定性。
a)1.5Pa;b)1Pa;c)0.7Pa;d)0.6Pa
图6 放电气压对电压- 电流波形的影响
图7 有引燃脉冲的电压- 电流波形
3、总结
研制了基于STC12C5A60S2 单片机控制的可调脉冲磁控溅射电源(MPP)，可以实现多阶梯波形，控制方便、精确，运行稳定。在水负载的条件下，电压和电流表现出较好的随动性。在真空室的条件下，放电表现出较大的非线性，甚至会出现负阻特性。在MPP 模式下，放电电流主要由初始的小电流和后期的高功率放电电流构成。与阻性负载不同，MPP 放电电压不仅影响放电电流，也影响放电宽度；;放电气压对MPP 高功率放电电流影响较小，但对起辉的时刻影响较大。在电路里加入引燃脉冲，即使在低气压条件下也可有效获得高功率放电的大电流状态。研制的这种MPP磁控溅射电源在镀膜应用方面具有很大的优势。
