一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置及其控制方法与流程

1.本技术属于磁控溅射技术领域，具体涉及一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置及其控制方法。


背景技术：

2.高功率脉冲磁控溅射(high power impulse magnetron sputtering，hipims)利用兆瓦级的溅射功率，产生极高离化率，膜层在附着力、硬度、耐磨性、表面形貌等方面均有极好的特性，是国内外磁控溅射领域研究的新热点。高功率脉冲磁控溅射的镀膜距离与电弧放电近似，同时兼备膜层细致和附着力强的特点。高功率脉冲磁控溅射可在低温沉积中高能离子束流碰撞改善薄膜的导电性和表面平整度，还可以在轰击预处理中彻底清洗工件表面达到离子注入效果。
3.高功率脉冲磁控溅射的应用局限性主要体现工艺稳定性低、沉积速率低、靶面杂质或尖峰导致弧光放电、靶材离化粒子损失等不足上。针对工艺稳定性低的问题，其主要原因在于高功率脉冲磁控溅射电源输出峰值电流达到千安培等级，但因等离子体负载动态阻抗快速变化，当输出电压发生微小变化时，峰值电流即会产生明显变化，在工艺过程中，随着靶材温度等因素变化，输出电压保持不变时，输出电流会有较大的变化，从而影响工艺稳定性。
4.在传统的电源设计中，针对千安培级的电流放电，一般采用工作频率在10-3000hz低频低占空比的电源实现恒流控制，传统方法大多采用电感储能型组成的脉冲功率电源。该拓扑类型电源具有良好的电流恒流能力，但负载电流关断的复杂控制和电感的成本体积制约了该拓扑类型电源在磁控溅射领域的应用。


技术实现要素：

5.本技术目的是提供一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置及其控制方法，实现高功率脉冲磁控溅射的恒电流控制，从而解决工艺稳定性低的问题。
6.实现本技术目的的技术方案：
7.本技术实施例第一方面提供了一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置，所述电源装置，包括：电源输出模块、第一储能模块、第一斩波输出模块、第二储能模块、第二斩波输出模块和控制电路；
8.所述电源输出模块的第一输出端经所述第一储能模块连接所述第一斩波输出模块的输入端；
9.所述第一斩波输出模块的输出端连接高功率脉冲磁控溅射的真空室；
10.所述第一储能模块利用电容进行储能；
11.所述电源输出模块的第二输出端经所述第二储能模块连接所述第二斩波输出模块的输入端；
12.所述第二斩波输出模块的输出端连接所述第一斩波输出模块的输出端；
13.所述第二储能模块利用电容进行储能，所述第二储能模块存储的电能小于所述第一储能模块存储的电能；
14.所述控制电路，用于控制所述第一斩波输出模块中功率器件的通断实现高功率脉冲输出；还用于控制所述第二斩波输出模块中功率器件的通断实现所述高功率脉冲输出电位高低的微调。
15.可选的，所述第一储能模块的数量为多个；
16.每个所述第一储能模块的输入端分别连接所述电源输出模块的不同的第一输出端，每个所述第一储能模块的输出端均连接所述第一斩波输出模块的输入端。
17.可选的，
18.所述第一储能模块的数量和所述第一斩波输出模块的数量均为多个；所述第一储能模块的数量和所述第一斩波输出模块一一对应；
19.每个所述第一储能模块的输入端分别连接所述电源输出模块的不同的第一输出端，每个所述第一储能模块的输出端均连接对应的所述第一斩波输出模块的输入端；
20.各个所述第一斩波输出模块串联后连接所述真空室。
21.可选的，所述第一储能模块，包括：第一整流滤波电路和第一储能电路；
22.所述第一整流滤波电路的输入端连接所述电源输出模块的第一输出端，所述第一整流滤波电路的输出端经所述第一储能电路连接所述第一斩波输出模块的输入端；
23.所述第一储能电路，包括多个串并联的第一电容。
24.可选的，
25.所述第一整流滤波电路和所述第一储能电路集成在pcb电路板上。
26.可选的，
27.所述第二储能模块的数量和所述第二斩波输出模块的数量均为多个；所述第二储能模块和所述第二斩波输出模块一一对应；
28.每个所述第二储能模块的输入端分别连接所述电源输出模块的不同的第二输出端，每个所述第二储能模块的输出端均连接对应的所述第二斩波输出模块的输入端；
29.各个所述第二斩波输出模块串联后连接所述真空室。
30.可选的，所述第二储能模块，包括：第二整流滤波电路和第二储能电路；
31.所述第二整流滤波电路的输入端连接所述电源输出模块的第二输出端，所述第二整流滤波电路的输出端经所述第二储能电路连接所述第二斩波输出模块的输入端；
32.所述第二储能电路，包括多个串并联的第二电容。
33.可选的，所述电源输出模块，包括：三相可控整流电路、软开关逆变器和多绕组高频功率变压器；
34.所述三相可控整流电路的输出端经所述软开关逆变器连接所述多绕组高频功率变压器的一次侧；
35.所述多绕组高频功率变压器的二次侧包括至少两个绕组，所述至少两个绕组分别对应所述电源输出模块的第一输出端和第二输出端；
36.所述控制电路，还用于驱动控制所述三相可控整流电路和所述软开关逆变器。
37.本技术实施例第二方面提供了一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置的控制方法，应用于本技术实施例第一方面提供的任一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置；
所述方法，包括：
38.所述控制电路获取输出至所述真空室的输出电压；
39.所述控制电路判断所述输出电压是否满足预设的溅射电压；
40.若是，则所述控制电路获取输出至所述真空室的输出电流；
41.所述控制电路对比所述输出电流与预设的溅射电流，根据对比的结果控制所述第一斩波输出模块和所述第二斩波输出模块中功率器件的通断。
42.本技术的有益技术效果在于：
43.1)本技术实施例提供一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置及其控制方法，相对恒压控制具有明显的恒电流特性，更适合于磁控溅射的应用，具有抑制电弧的特性，具有工艺重复性好等优点。
44.2)本技术实施例提供一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置及其控制方法，相对电感储能型装置具有明体积小、电路简单等优点。
附图说明
45.图1为本技术实施例提供的一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置的结构示意图；
46.图2为本技术实施例提供的另一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置的结构示意图；
47.图3为本技术实施例提供的另一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置的结构示意图；
48.图4为本技术实施例提供的一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
49.为了使本领域的技术人员更好地理解本技术，下面将结合本技术实施例中的附图对本技术实施例中的技术方案进行清楚-完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本技术实施例中的一部分，而不是全部。基于本技术记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本技术保护的范围内。
50.在下文中，可在本技术的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本技术的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
51.在本技术的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本技术的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一
元件。
52.应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。
53.在本技术的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本技术的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本技术的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本技术的各种实施例中被清楚地限定。
54.为了解决现有恒压控制的高功率脉冲磁控溅射电源存在的技术问题，本技术实施例提供了一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置及其控制方法。本技术的电源装置采用可控整流和功率因素校正技术将三相电调整到预置的直流电压值，采用高频逆变技术将直流电压值调整到预置频率的高频电压值，通过高频功率变压器多个绕组经过高频整流滤波为电容组储能提供能量，多个电容组通过电位串联叠加实现高压脉冲输出；多个电容组可以通过控制功率器件的通断实现电位高低的调整。电容组储能后经过多个斩波器串并组合实现高功率脉冲输出，多个斩波器可以通过控制功率器件的通断实现电位高低的微调。本技术实施例提供一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置及其控制方法，相对恒压控制具有明显的恒电流特性，更适合于磁控溅射的应用，具有抑制电弧的特性，具有工艺重复性好等优点。相对电感储能型装置具有明体积小、电路简单等优点。
55.基于上述内容，为了清楚、详细的说明本技术的上述优点，下面将结合附图对本技术的具体实施方式进行说明。
56.参见图1，该图为本技术实施例提供的一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置的结构示意图。
57.本技术实施例提供的一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置，包括：电源输出模块100、第一储能模块200、第一斩波输出模块300、第二储能模块600、第二斩波输出模块700和控制电路400；
58.电源输出模块100的第一输出端经第一储能模块200连接第一斩波输出模块300的输入端；
59.第一斩波输出模块300的输出端连接高功率脉冲磁控溅射的真空室500；
60.第一储能模块200利用电容进行储能；
61.电源输出模块100的第二输出端经第二储能模块600连接第二斩波输出模块700的输入端；
62.第二斩波输出模块700的输出端连接第一斩波输出模块300的输出端；
63.第二储能模块600利用电容进行储能，第二储能模块600存储的电能小于第一储能模块200存储的电能；
64.控制电路400，用于控制第一斩波输出模块300中功率器件的通断实现高功率脉冲输出；还用于控制第二斩波输出模块700中功率器件的通断实现高功率脉冲输出电位高低
的微调。
65.在本技术实施例中，第一储能模块200利用电容进行储能相对于电感储能，减小了电源装置的体积。控制电路400控制第一斩波输出模块300中功率器件的通断实现高功率脉冲输出实现恒流电源的输出，相对恒压控制具有明显的恒电流特性，更适合于磁控溅射的应用，具有抑制电弧的特性，具有工艺重复性好等优点。
66.在本技术实施例中，利用第二储能模块600和第二斩波输出模块700可以实现对高功率脉冲输出电位高低的微调。在具体实施时，可以根据高功率磁控溅射电压和电流的变化关系，利用多个第二储能模块600和多个第二斩波输出模块700覆盖常见步进，例如，按10v、10v、20v、40v等划分为若干步进。在具体实施时，控制器通过采集电源装置的输出电流与预设电流做对比，并微调输出电位高低实现对高功率脉冲输出电流的恒定。
67.作为一个示例，如图1所示，第一储能模块200，包括：第一整流滤波电路201和第一储能电路202；
68.第一整流滤波电路201的输入端连接电源输出模块100的第一输出端，第一整流滤波电路201的输出端经第一储能电路202连接第一斩波输出模块300的输入端；
69.第一储能电路202，包括多个串并联的第一电容。
70.可以理解的是，第一整流滤波电路201将高频双极性输出通过整流，并通过电感电容滤波为直流电输出到第一储能电路202储能电路。在一个例子中，可通过控制电路控制第一整流滤波电路201是否储存能量到第一储能电路202。作为一个示例，第一整流滤波电路201可以为二极管全桥整流或二极管全波整流拓扑实现，在二极管全桥整流或二极管全波整流拓扑前增加功率器件或接触器。例如，该功率器件可采用可控硅。
71.为了满足不同电压输出的需求，在本技术实施例一些可能的实现方式中，第一储能模块200的数量为多个，多个第一储能模块200存储的电能串联累积给真空室500供电。
72.需要说明的是，第一储能模块200的数量还取决于第一整流滤波电路201中功率器件的耐压值。作为一个示例，每个第一储能模块200可供电400v，如需供电1600v，则累积4个第一储能模块200即可。在实际应用中，第一储能模块200可采用电解电容等耐压较低的电容实现储能。
73.具体的，在一个例子中，如图2所示，第一储能模块200的数量为多个，多个第一储能模块200通过电位串联叠加实现高压脉冲输出；
74.每个第一储能模块200的输入端分别连接电源输出模块100的不同的第一输出端，每个第一储能模块200的输出端均连接第一斩波输出模块300的输入端。
75.这里需要说明的是，在具体实施时，第一斩波输出模块300的功率器件需满足磁控溅射的起辉电压要求。但是，发明人在研究中发现，当每个第一储能模块200的输出端均连接第一斩波输出模块300的输入端时，存在成本高、关断速度较慢的问题。为此，在另一例子中，如图3所示，第一储能模块200的数量和第一斩波输出模块300的数量均为多个；第一储能模块200的数量和第一斩波输出模块300一一对应；
76.每个第一储能模块200的输入端分别连接电源输出模块100的不同的第一输出端，每个第一储能模块200的输出端均连接对应的第一斩波输出模块300的输入端；
77.各个第一斩波输出模块300串联后连接真空室500。
78.需要说明的是，第一斩波输出模块300内部输出通过buck电路串接，并通过二极管
串接续流。本实施例中，多个第一斩波输出模块300的功率器件的耐压降低，可采用成本低、关断速度快的功率器件替代。
79.在一个例子中，如图1所示，为了实现利用多个第二储能模块600和多个第二斩波输出模块700覆盖常见步进，第二储能模块600的数量和第二斩波输出模块700的数量均为多个；第二储能模块600和第二斩波输出模块700一一对应；
80.每个第二储能模块600的输入端分别连接电源输出模块100的不同的第二输出端，每个第二储能模块600的输出端均连接对应的第二斩波输出模块700的输入端；
81.各个第二斩波输出模块700串联后连接真空室500。作为一个示例，第二储能模块600，具体可以包括：第二整流滤波电路601和第二储能电路602；
82.第二整流滤波电路601的输入端连接电源输出模块100的第二输出端，第二整流滤波电路601的输出端经第二储能电路602连接第二斩波输出模块700的输入端；
83.第二储能电路602，包括多个串并联的第二电容。
84.在具体实施时，第二整流滤波电路601和第二储能电路602可以集成在pcb电路板上，利用低电压、低内阻、大电流mosfet集成pcb散热器完成功能。
85.在本技术实施例一些可能的实现方式中，电源输出模块100，可以包括：三相可控整流电路101、软开关逆变器102和多绕组高频功率变压器103；
86.三相可控整流电路101的输出端经软开关逆变器102连接多绕组高频功率变压器103的一次侧；
87.多绕组高频功率变压器103的二次侧包括至少两个绕组，至少两个绕组分别对应电源输出模块100的第一输出端和第二输出端；
88.控制电路400，还用于驱动控制三相可控整流电路101和软开关逆变器102。
89.需要说明的是，三相可控整流电路101可以将电网三相交流电转为直流电，并将直流电输入到软开关逆变器102。三相可控整流电路101有利于三相交流电流跟踪三相交流电压，提高功率因数，降低多次谐波。在一个例子中，三相可控整流电路101可以采用三电平维也纳(vienna)整流拓扑或三相六开关功率因数校正(pfc)整流拓扑实现。
90.可以理解的是，软开关逆变器102将整流后的直流电逆变为高频双极性输出，并通过多绕组高频功率变压器103为第一储能模块200供能。在一个例子中，可以采用高频逆变、多绕组高频功率变压器和控制电路400，可实时调整电压输出值，使得磁控溅射状态在高功率磁控溅射的范围内。
91.软开关逆变器102的功率开关受控制电路400控制，使得功率开关零电压开通零电流关断，降低开关损耗，提高工作效率，有利于器件可靠稳定运行。作为一个示例，软开关逆变器102可以采用多电平移相全桥逆变拓扑、多电平全桥llc逆变拓扑或交错式串联二电平全桥移相逆变拓扑实现。
92.需要说明的是，多绕组高频功率变压器103将高频双极性输出隔离并升降压，达到预置的电压值。实际应用中，多绕组高频功率变压器103的一次侧的绕组数由软开关逆变电路决定，二次侧的绕组数量基于电源输出模块100输出端的数量设置，绕组的匝数根据连接的元件的不同来设置。例如，当绕组连接至第一储能模块200时，根据第一储能模块200中电容的储能需求设置绕组的匝数，多个第一储能模块200对应的绕组匝数完全一致，寄生参数尽量一致，这里不再一一列举。又例如，当绕组连接至第二储能模块600时，根据第一储能模
块600中电容的储能需求设置绕组的匝数，多个第一储能模块600对应的绕组匝数应不同且成比例关系，多个第一储能模块600覆盖常见步进，寄生参数尽量一致。
93.在本技术实施例一些可能的实现方式中，控制电路400主要功能可以由dsp和fpga实现。其功能主要包括：三相可控整流电路101的驱动控制、软开关逆变器102的驱动控制、第一整流滤波电路201中功率器件的驱动或继电控制、第二整流滤波电路601中功率器件的驱动控制、第一斩波输出模块300的驱动信号和第二斩波输出模块700的驱动信号。在一个例子中，控制电路400还可以实现输出电压高速采集、输出电流高速采集、功率器件保护、上位机通信连接等功能。
94.基于上述实施例提供的一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置，本技术实施例还提供了一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置的控制方法，应用于上述实施例提供的任一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置。
95.参见图4，该图为本技术实施例提供的一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置的控制方法的流程示意图。
96.本技术实施例提供的一种用于高功率脉冲磁控溅射的电源装置的控制方法，包括：
97.s401：控制电路获取输出至真空室的输出电压；
98.s402：控制电路判断输出电压是否满足预设的溅射电压；若是，则执行s403。
99.s403：控制电路获取输出至真空室的输出电流；
100.s404：控制电路对比输出电流与预设的溅射电流，根据对比的结果控制第一斩波输出模块和第二斩波输出模块中功率器件的通断。
101.作为一个示例，dsp和fpga控制芯片
102.在本技术实施例中，根据高功率脉冲磁控溅射的工艺需要，初选适当的溅射电压、溅射电流、重复脉冲宽度、重复频率，通过所述的通信连接功能把指令传递到控制电路。控制电路将输出电压与预设的溅射电压比较，使得二者一致。控制电路获取输出至真空室的输出电流与预设的溅射电流对比，在重复脉冲宽度有效之内，当输出电流小于预设的溅射电流，不做处理；当输出电流大于预设的溅射电流，所述控制电路更新第二斩波输出模块中功率器件的通断，保证在剩余脉冲有效时间保持恒流输出。
103.在一个具体的例子中，该方法可以包括：
104.控制系统初始化；设置溅射电压、峰值电流、脉宽、频率；电源运行，判断是否满足溅射电压，若工作电压和溅射电压偏差超限值，则提示起辉失败；若接收采集的溅射电压等于设置的溅射电压，则判断脉宽有效期间，峰值电流是否达到设定峰值电流，若未达到，则保持溅射状态，界面提示；若脉宽有效期间，峰值电流达到设定峰值电流，则通过pid算法，调整第二斩波输出模块中功率器件的通断使得峰值电流逼近设定电流，以此循环；若接收到停止指令，则放电完毕。
105.上面结合附图和实施例对本技术作了详细说明，但是本技术并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本技术宗旨的前提下作出各种变化。本技术中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。