脈沖直流磁控濺射電源控制器試驗(yàn)分析

摘要 本文對(duì)SPIK2000A型脈沖直流磁控濺射電源控制器原理進(jìn)行了分析，根據(jù)磁控濺射選擇性吸收涂層工藝特性，進(jìn)行了不同工況條件下穩(wěn)定性、滅弧特性試驗(yàn)及沉積速率測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果顯示：在全玻璃真空太陽(yáng)能集熱管磁控濺射鍍膜機(jī)上，采用SPIK2000A型脈沖直流磁控濺射電源控制器，通過(guò)提高濺射電壓和濺射功率，提高沉積速率，具有較好的滅弧作用。  　　0 前言  　　磁控濺射鍍膜機(jī)是制備全玻璃真空太陽(yáng)集熱管選擇性吸收涂層的關(guān)鍵設(shè)備。為進(jìn)一步提高選擇性吸收涂層的性能，需要制備足夠厚度的介質(zhì)層，以降低選擇性吸收涂層的反射率，增加涂層的吸收率。目前，Al-N/Al和Cu-Al/SS選擇性吸收涂層介質(zhì)層主要為AlN，采用磁控濺射鍍膜技術(shù)制備選擇性吸收涂層AlN介質(zhì)層的沉積速率一般為1.5nm/min左右。而優(yōu)質(zhì)的選擇性Al-N/Al和Cu-Al/SS選擇性吸收涂層介質(zhì)層厚度需要達(dá)到60nm～80nm。因此，僅制備介質(zhì)層的工藝時(shí)間將達(dá)到40min～60min。工藝時(shí)間較長(zhǎng)，生產(chǎn)效率較低。為了提高磁控濺射AlN介質(zhì)層的沉積速率，提出了采用脈沖控制磁控濺射模式。  　　1 SPIK2000A型脈沖直流磁控濺射電源控制器工作原理  　　1.1控制原理  　　控制架構(gòu)見(jiàn)圖1.  圖1 控制架構(gòu) 　　如圖1所示，等離子能量的供應(yīng)來(lái)自SPIK的大電容， SPIK提供固定電壓及瞬間的高電流, 工作過(guò)程中激烈的能量反應(yīng)由SPIK來(lái)承擔(dān)。DC持續(xù)地對(duì)SPIK電容充電，SPIK可濾除DC的漣波，提供純直流。控制器最高程控頻率可達(dá) 50kHz，可自由調(diào)整脈沖時(shí)間控制參數(shù)T+on,T+off,T -on,T-off，快速電弧偵測(cè)、抑弧時(shí)間小于2 µs，多功能操作模式DC+, DC-,UP+,UP-, BP。  　　圖2為對(duì)稱（單DC）/非對(duì)稱（雙DC）脈沖輸出圖。  圖2 輸出模式 　　如圖2所示，對(duì)稱 (單 DC) / 非對(duì)稱 (雙 DC) 脈沖輸出，可提供瞬間高功率產(chǎn)生高密度等離子體，可自由編輯任意波形脈沖輸出。   　　1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備與對(duì)接方式  　　1.SPIK2000A型脈沖直流磁控濺射電源控制器，提供廠家為臺(tái)灣伸昌電機(jī)股份有限公司。  　　2.鍍膜機(jī)，全玻璃真空太陽(yáng)能集熱管鍍膜機(jī)，腔體內(nèi)徑為φ750mm，中置柱狀濺射鋁靶，可鍍φ37全玻璃真空集熱管30支。  　　3.示波器，OS-5020型，提供廠家為韓國(guó)EZ.DIGITAL   　　對(duì)接方式為： 脈沖直流磁控濺射電源控制器電源輸入端對(duì)接鍍膜機(jī)直流電源的輸出端，控制器輸出端直接接鍍膜機(jī)的陰極（靶）和陽(yáng)極（機(jī)殼），即該控制器串聯(lián)在原電源輸出和鍍膜機(jī)的陰陽(yáng)極之間，控制器的控制電源單獨(dú)提供。  　　2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)  　　2.1穩(wěn)定性測(cè)試  　　2.1.1工作模式  　　圖3為負(fù)脈沖模式下的波形曲線，波形參數(shù)為T ?on＝20μs，T ?off＝10μs，圖3中紅線部分為有直流脈沖控制器輸出的脈沖曲線，對(duì)于一個(gè)波形周期，電流工作時(shí)間為20μs，非工作時(shí)間，即電容充電時(shí)間為10μs，曲線表現(xiàn)出典型的方波特征，且處于工作狀態(tài)時(shí)，電壓相對(duì)平穩(wěn)，曲線顯示電壓波動(dòng)在±10V以內(nèi)（保守估算）。圖3中藍(lán)色曲線為輸入到脈沖控制器的電壓波形，即電源本身輸出的電壓波形，其中最大電壓為304V，最小電壓為264V,這表明由直流電源輸出的電壓波動(dòng)在±20V范圍內(nèi)，相對(duì)穩(wěn)定性較差。  圖3  負(fù)脈沖模式下的波形曲線 　　圖4為雙極性脈沖工作模式下的波形曲線，設(shè)定參數(shù)為T ?on＝40μs，T ?off＝10μs，T+on＝10μs，T+off＝10μs。由圖4中紅色曲線可以看出，在一個(gè)周期內(nèi)，負(fù)脈沖工作時(shí)間為40μs。  圖4  雙極性脈沖工作模式 　　波形為典型的方波，波形曲線平穩(wěn)。負(fù)脈沖停止時(shí)間（即電容充電時(shí)間）為10μs，波形波動(dòng)較大，正脈沖工作時(shí)間為10μs，波形波動(dòng)也相對(duì)較大，正脈沖停止時(shí)間為10μs，波形則為斜波。對(duì)于反應(yīng)磁控濺射的工作特征而言，只有磁控濺射靶處于負(fù)電位狀態(tài)時(shí)，才處于濺射狀態(tài)，而處于正電位狀態(tài)時(shí)，可以減弱，甚至消除靶表面正電荷的積累，從而減少，甚至可能消除靶表面出現(xiàn)的電弧。  　　2.1.2放電曲線測(cè)試  　　如圖5所示，當(dāng)fAr=57SCCM、本底真空1.4×10-3Pa、I=20A時(shí)，不同氮?dú)饬髁繒r(shí)靶電壓變化數(shù)據(jù)與曲線。  A  靶電壓變化曲線　　　　　　　　　　　　　　B  靶功率變化曲線  圖5 不同工作模式下的靶電壓和靶功率變化曲線 　　由圖5可以看出，采用脈沖控制模式時(shí)，濺射靶電壓和功率均有明顯的提高，且采用雙極性脈沖時(shí)的靶電壓比負(fù)脈沖模式高。放電曲線的拐點(diǎn)位置隨采用的工作模式不同而出現(xiàn)前移或后移現(xiàn)象。  　　在濺射過(guò)程中，采用負(fù)脈沖工作時(shí)，濺射靶工作穩(wěn)定性良好，而采用雙擊脈沖工作模式時(shí)，當(dāng)反應(yīng)氣體N2流量較大時(shí)，濺射電壓偶然會(huì)出現(xiàn)超過(guò)800V的過(guò)壓現(xiàn)象，造成系統(tǒng)斷電保護(hù)。通過(guò)修正設(shè)定參數(shù)，可以消除濺射過(guò)程中的過(guò)壓現(xiàn)象，但仍表現(xiàn)出偶然的電壓或電流的波動(dòng)問(wèn)題。    　　2.1.3電弧檢測(cè)試驗(yàn)  　　SPIK2000A型脈沖直流磁控濺射電源控制器具有偵測(cè)電弧放電和計(jì)數(shù)的功能，但不能顯示累加計(jì)數(shù)。試驗(yàn)過(guò)程中分別設(shè)定了Arcl±200A、Arcl±150A、Arcl±100A、Arcl±75A、Arcl±50A、Arcl±40A、Arcl±35A、Arcl±30A等參數(shù)，工作模式為DC-，試驗(yàn)結(jié)果表明：Arcl在±150A以上時(shí)，幾乎偵測(cè)不到有電弧發(fā)生，Arcl在±100A時(shí)開(kāi)始有電弧計(jì)數(shù)，并隨著范圍的減小電弧計(jì)數(shù)增加。Arcl為±50A時(shí)，已經(jīng)有明顯的數(shù)量較多的電弧計(jì)數(shù)，數(shù)量級(jí)達(dá)到千數(shù)級(jí)。電弧計(jì)數(shù)數(shù)量隨氮?dú)饬髁康脑黾佣黾?。?dāng)Arcl設(shè)定為±40A，或范圍更小時(shí)，電弧頻繁出現(xiàn)，且累加計(jì)數(shù)很容易超出控制器設(shè)定的10000次范圍而導(dǎo)致控制保護(hù)滅弧，電源不工作。Arcl設(shè)定為±30A，電源不工作，靶面不起輝光。在負(fù)脈沖和雙極性脈沖工作模式時(shí)，當(dāng)Arcl設(shè)定值分別為±100A、Arcl±75A、Arcl±50A三種參數(shù)，情況基本類似。  　　這表明，在沉積Al-N/Al涂層的反應(yīng)磁控濺射工藝過(guò)程中，存在明顯的電弧現(xiàn)象。在工作電流為20A～25A范圍，電弧主要在集中在75A以下，少量在100A，幾乎沒(méi)有超過(guò)150A的電弧發(fā)生。SPIK2000A型脈沖直流磁控濺射電源控制器具有一定的抑制電弧功能，但仍不能避免電弧的發(fā)生。而如果沒(méi)有SPIK的控制，則工藝過(guò)程中可能會(huì)有更多的電弧發(fā)生。  　　目前測(cè)試的幾種工作模式，并不能完全消除靶表面電弧的產(chǎn)生，包括采用雙極性脈沖的工作模式。而采用雙極性脈沖工作模式時(shí)的正脈沖工作時(shí)間段對(duì)于提高濺射速率不起任何作用，且同時(shí)浪費(fèi)了功率。因此，對(duì)于微觀質(zhì)量要求不是極其嚴(yán)格太陽(yáng)選擇性吸收涂層而言，相對(duì)于負(fù)脈沖工作模式，采用該種工作模式不一定是一種很好的形式。但是，對(duì)于涂層微觀性能要求嚴(yán)格的光學(xué)或半導(dǎo)體涂層，可能會(huì)有質(zhì)量上的改善，如減少涂層缺陷等。  　　2.2沉積速率測(cè)試  　　圖6為優(yōu)化后的不同工作模式下，單層涂層沉積速率測(cè)試表?？梢钥闯?，對(duì)于沉積減反層而言，采用附加直流脈沖控制器時(shí)，涂層的沉積速率明顯大于無(wú)控制器時(shí)的涂層沉積速率，其沉積速率由1.45nm/min分別提高到3.93nm/min和4.93nm/min，分別提高了2.7倍和3.4倍。在沉積吸收層和減反層時(shí)，采用脈沖控制模式時(shí)，沉積速率也有較大的增加  圖6  不同工作模式下單層涂層沉積速率 　　在3種工作模式中，以正負(fù)脈沖模式的沉積速率最高，其次是負(fù)脈沖工作模式，而直流工作模式的沉積速率最低。但是對(duì)于單位功率條件下的沉積速率而言， 僅在沉積減反層時(shí)，采用正負(fù)脈沖工作模式時(shí)，功率效率為其他兩種工作模式的1.5倍，但絕對(duì)值并沒(méi)有顯著的提升，但此時(shí)可能出現(xiàn)電壓過(guò)壓現(xiàn)象。而在濺射吸收層和金屬層時(shí)，則沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。  　　這表明：采用負(fù)脈沖和雙極性脈沖時(shí)，可以通過(guò)提升濺射靶的濺射電壓和濺射功率來(lái)提高涂層的沉積速率。但單位功率效率沒(méi)有顯著的提升。因此，在濺射電源功率節(jié)能方面沒(méi)有表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。但在提升生產(chǎn)效率，減少工藝時(shí)間，提高產(chǎn)品性能，降低整體能耗等方面應(yīng)具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。   　　3結(jié)論  　　1.采用SPIK控制模式進(jìn)行太陽(yáng)選擇性吸收涂層的沉積時(shí)，相同工作條件下，濺射靶電壓、功率均明顯增加，涂層的沉積速率也明顯增加，但單位功率效率增加不明顯。  　　2.采用SPIK控制模式，可以較好地檢測(cè)和抑制濺射過(guò)程中大電弧的產(chǎn)生，從而為制備優(yōu)質(zhì)的涂層提供幫助。  　　3.通過(guò)采用SPIK控制模式，在提升生產(chǎn)效率，減少工藝時(shí)間，提高產(chǎn)品性能，降低整體能耗等方面應(yīng)具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。