Тимаков С.В.

Тимаков С.В.
ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛИТЕЛЯ
Большое влияние на работу магнетронных распылительных систем оказывают источники питания. За
время прошедшее с появления первых магнетронных систем произошло значительное улучшение характеристик источников питания. В последние годы, в соответствии с общетехнической тенденцией расширения использования импульсных систем обработки материалов появились импульсные магнетронные распылительные системы. По сравнению с системами распыления на постоянном токе они обладают определенными преимуществами:
-отсутствует или минимизировано искрение и дугообразование на мишени;
-высокая скорость осаждения покрытий;
-высокая плотность плазмы у поверхности мишени;
-широки возможности.
Импульсный режим работы магнетронной распылительной системы обеспечивает источник питания. По
частотным характеристикам можно выделить низкочастотные (до 1 КГц), среднечастотные (1-100 КГц) и
высокочастотные (свыше 100 КГц) импульсные источники питания. Рассматривая особенности массопереноса при импульсном распылении [1], можно отметить, что, для большинства материалов осаждение
заканчивается через 2мс после гашения магнетронного разряда. Таким образом, для реализации чисто
импульсного режима осаждения, необходимо обеспечить паузу между импульсами напряжения не менее
2мс, за время которой все процессы, вызванные импульсом, завершатся. Такой режим обеспечивается
при использовании низкочастотного импульсного источника питания. Ниже представлен вариант такого
источника питания.
Первичным источником энергии является промышленная сеть переменного тока напряжением 220 В, 50
Гц. Для работы использовано свойство переменного напряжения- переход через «0». Импульсный источник питания (рис.1) содержит управляемый симисторный ключ, через который сетевое напряжение
поступает на повышающий силовой трансформатор. Со вторичной обмотки трансформатора через мостовой
выпрямитель напряжение отрицательной полярности поступает на магнетронный распылитель. В цепь
магнетронного распылителя включен датчик тока.
Рисунок 1. Схема импульсного источника питания
Управляет включением симисторного ключа микроконтроллерный блок управления. На блок управления
поступает сетевое напряжение. Микроконтроллер определяет момент перехода сетевого напряжения через «0» и запускает таймер задержки включения симисторного ключа. Время задержки определяется
заданным током распыления. Также на микроконтроллер поступает сигнал с датчика тока. Микроконтроллер отображает фактический ток на цифровом индикаторе, и, сравнивая фактический ток распылителя с заданным, корректирует время задержки таймера. По окончании времени задержки микроконтроллер формирует сигнал отпирания для симисторного ключа. Оптимальное время задержки для переменного напряжения частотой 50 Гц находится в диапазоне 5-9 мс, т.е. превышает четверть периода
сетевого напряжения. При следующем переходе сетевого напряжения через «0» симисторный ключ запирается.
Таким образом, на магнетронный распылитель поступают импульсы напряжения, форма которого близка к пилообразной, с крутым передним фронтом и спадающей амплитуды. Такой режим питания магнетронного распылителя обеспечивает минимизацию дуговых разрядов, оптимальные условия зажигания
магнетронного разряда при каждом поступающем импульсе напряжения и завершение всех процессов во
время паузы между питающими импульсами. Наличие достаточно большой паузы между импульсами позволяет осуществлять контроль процесса осаждения тонких пленок электрическими или оптическими методами. Наличие повышающего трансформатора в цепи питания магнетронного распылителя обеспечивает
падающую характеристику при зажигании магнетронного разряда. Анализируя осциллограммы тока и
напряжения на магнетронном распылителе (рис. 3) можно выделить этап зажигания магнетронного разряда и снижения напряжения на распылителе, этап роста тока и напряжения на распылителе, этап снижения тока, и этап прекращения тока при напряжении на магнетронном распылителе ниже напряжения
горения магнетронного разряда. При питании распылителя импульсами напряжения спадающей амплитуды
отсутствует этап, когда ток магнетронного разряда достигает некоторого статического значения и
поддерживается на этом уровне.
Рисунок 2. Работа источника питания
Рисунок 3 Осциллограммы напряжения на магнетронном распылителе и тока распылителя.
Необходимо отметить, что скорость роста тока магнетронного разряда пропорциональна скорости
ионизации рабочего газа и более сильно зависит от давления газа, чем от напряжения на распылителе.
Сравнение зон эрозии на никелевой мишени, распыленной в режиме постоянного тока и в импульсном режиме показывает что при одинаковом диаметре средней линии зоны эрозии, который определяется
конфигурацией магнитного поля
на поверхности мишени, увеличивается ширина зоны эрозии. Так, при
диаметре мишени 130мм, диаметре средней линии 57 мм диаметр внутренней нераспыленной области в
режиме постоянного тока составляет 18 мм, в импульсном режиме – 16 мм, диаметр наружной нераспыленной области – 84 и 90 мм соответственно. Увеличение зоны эрозии при использовании импульсного
источника питания свидетельствует об увеличении коэффициента полезного использования материала
мишени.
Рисунок 4 . Внешний вид источника питания магнетронного распылителя.
Сравнение значений шероховатости поверхности мишени в зоне распыления показало , что, при использовании источника постоянного тока Ra =3,36, при использовании импульсного источника Ra
=2,72. Более низкий уровень шероховатости поверхности свидетельствует о том, что процесс распыления в импульсном режиме имеет мягкий, равномерный характер, и практически отсутствуют дуговые
разряды на поверхности мишени.
Источник выполнен в стандартном корпусе в двухканальном исполнении.
Эксплуатация импульсной распылительной системы в течение полутора лет показало ее высокую
надежность, эффективность и удобство работы.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.И.Кузьмичев Импульсные магнетронные распылительные системы ,том 1, Харьковская научная
ассамблея ISTFE-14, стр. 221-241
2. Заявка на полезную модель №2010103312 от 1.02.10.