可調(diào)脈沖電源MPP(modulated pulsed power)磁控濺射技術(shù)是一種新型的高功率磁控濺射技術(shù)�；�于STC12C5A60S2 單片機(jī)為控制單元研制了MPP 電源。電源可以輸出多種脈沖波形，能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化的高功率脈沖磁控濺射工藝。MPP 放電模式表現(xiàn)為初始的弱放電和隨后的高功率大電流放電行為。MPP 放電電壓影響著高功率放電電流和脈沖寬度，而放電氣壓主要影響起輝時(shí)刻，但對放電電流大小影響不大。引入引燃脈沖可實(shí)現(xiàn)低氣壓下的高功率大電流放電。

　　高功率脈沖磁控濺射(HPPMS)是利用較高的脈沖峰值功率和較低的占空比產(chǎn)生高金屬離化率的磁控濺射方法，由于占空比(1%~10%)較低，平均熱量不高，陰極不會(huì)過熱，同時(shí)峰值功率(1000 W/cm2~3000 W/cm²) 是普通磁控濺射的100倍，濺射離化率極高，同時(shí)也提高了薄膜的組織性能。但是它的沉積速率比直流磁控濺射(DCMS)低，這阻礙了它在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。Sarakinos等人也在一篇綜述性文章里論述到用鈦靶沉積時(shí)HPPMS 的沉積速率是DCMS 的15- 75%。與此同時(shí)有人開始研究可調(diào)脈沖的磁控濺射技術(shù)，采用MPP(modulated pulsed power)電源。這種電源在控制模式、功率、脈寬、頻率等方面與HPPMS有很大不同，它最重要的特點(diǎn)是輸出電壓波形可以調(diào)制成多階梯的波形。作為HPPMS 的并行技術(shù)，Chistyakov 等人首先將之應(yīng)用于磁控濺射。

　　雖然MPP 模式的離化率比HPPMS 略有降低，但它有望解決HPPMS 的低沉積速率問題，也繼承了HPPMS 的優(yōu)點(diǎn)。研究已經(jīng)表明，MPP 技術(shù)還具有可控低離子能量、高金屬離子流的特點(diǎn)，同時(shí)增強(qiáng)了薄膜的密度和結(jié)合強(qiáng)度，改善了薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，降低了內(nèi)應(yīng)力，因此可濺射生成100 μm的厚膜。在前期HPPMS 電源研制的基礎(chǔ)上，我們開展了MPP 電源的研制工作。利用逆變模式的電源輸出，兼顧單片機(jī)靈活控制模式，研制了脈沖電流200 A 的MPP 電源。本文將介紹電源的研制方案和利用該電源進(jìn)行的等離子體放電特性研究。

1、電源設(shè)計(jì)

　　圖1 給出了MPP 電源的整體結(jié)構(gòu)。電源由直流電源、脈沖調(diào)制電路、波形規(guī)整電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)以及文本器等單元構(gòu)成。直流電源DC(1000V)采用自行研制的直流逆變電源，0 V~1000 V 電壓可調(diào)。IGBT 脈沖調(diào)制電路中采用多個(gè)IGBT 并聯(lián)技術(shù)，IGBT 型號(hào)為IGBTFGL60N170D， 波形規(guī)整電路是將直流規(guī)整成所需要的電壓波形。選用的單片機(jī)控制芯片是STC12C5A60S2，它是STC 生產(chǎn)的單時(shí)鐘/ 機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/ 低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，有2 路PWM，8 路高速10 位A/D 轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘電路采用12 M 的晶振，基本上可以滿足功能要求。然后選用OP320文本器作為參數(shù)顯示屏與控制器，完成人機(jī)交互功能，再通過Modbus 協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖1 MPP 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　在主電路中用IGBT 把直流電源調(diào)制成一定頻率的高壓脈沖，通過調(diào)節(jié)占空比或脈沖頻率調(diào)節(jié)IGBT 導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，然后經(jīng)波形規(guī)整電路，獲得所需要的階梯波形，如圖2 所示。

　　本文利用單片機(jī)產(chǎn)生控制脈沖，由于利用單片機(jī)中的PCA 模塊產(chǎn)生PWM 波形，占空比調(diào)節(jié)時(shí)需要對系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行分頻。程序中用下降沿中斷進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，來控制每個(gè)臺(tái)階的長度，利用單片機(jī)中定時(shí)器0 控制脈沖總頻率。最終形成脈沖控制信號(hào)中一個(gè)大脈沖中包含許多占空比不同的小脈沖。

圖2 電壓波形規(guī)整效果

　　IGBT 能夠承受的過流保護(hù)時(shí)間小于5 μm，電流越大，承受的時(shí)間越短，所以過流保護(hù)電路非常重要。當(dāng)采用12 MHz 晶振時(shí)，單片機(jī)一個(gè)機(jī)器周期為1 μm，再附加中斷和計(jì)算，整體反應(yīng)速度較慢，本文沒有采用單片機(jī)作為過流保護(hù)控制單元，而是利用霍爾傳感器進(jìn)行電流采集，然后用LM393 直接與設(shè)定保護(hù)電壓比較，產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)觸發(fā)NE555，屏蔽單片機(jī)的脈沖信號(hào)，最后把保護(hù)信號(hào)輸入給單片機(jī)，進(jìn)行保護(hù)處理。最終電源參數(shù)為：脈沖電流200 A，脈沖電壓1000V，小脈沖頻率47 kHz，總脈沖頻率17Hz~1 kHz，總脈寬500 μs~3000 μs，總功率10 kW，脈沖臺(tái)階數(shù)可調(diào)。

2、MPP放電特性

2.1、典型的電壓-電流波形

　　用自行研制的MPP 電源首先在水負(fù)載上試驗(yàn)，電壓- 電流波形如圖3 所示。上面曲線代表電壓波形(200 V/ 格)，下面曲線代表電流波形(5 A/ 格)。可見電源能實(shí)現(xiàn)階梯電壓輸出，同時(shí)波形形狀可以任意設(shè)定，如1 階方波、2 或3 階階梯波;電壓波形可以前高后低或前低后高;電壓波形也可以中間高、兩邊低或者中間低兩邊高。放電波形脈沖寬度可達(dá)3000 μs，相對于傳統(tǒng)HPPMS 模式，屬于長脈寬放電。對比發(fā)現(xiàn)：當(dāng)?shù)谝粋�(gè)臺(tái)階為低電壓、第二個(gè)臺(tái)階為高電壓時(shí)，波形很好。如果第一個(gè)臺(tái)階是高電壓脈沖時(shí)，電壓尖峰非常高，這是由于電路回路電感/ 電容振蕩造成的。最后一個(gè)臺(tái)階的下降沿比較平緩，這是由于回路的容性效應(yīng)造成的。

a)2 階/ 前低后高;b)2 階/ 前高后低;c)3 階/ 前低后高;d)3 階/ 前高后低;e)3 階/ 中間低;f)1 階

圖3 水負(fù)載條件下獲得電壓- 電流波形

　　隨后在真空室上利用Cu 靶(Ф40 mm)的進(jìn)行試驗(yàn)，放電氣壓為1 Pa，工作氣體為氬氣。所獲得的電壓、電流波形如圖4 所示。可見隨著放電電壓的變化，電流也表現(xiàn)出明顯的階梯波形，主要由初始的小電流放電和后期的高功率脈沖放電組成。對于Cu 靶來說，低電壓時(shí)放電很弱，工作電流很小，類似于傳統(tǒng)的直流放電。當(dāng)工作電壓高于500 V 時(shí)，電流隨著電壓迅速上升，此時(shí)繼續(xù)增大電壓，會(huì)達(dá)到大電流穩(wěn)定放電狀態(tài)，即高功率放電狀態(tài)。與水負(fù)載不同，等離子體放電條件下，一旦大電流高功率放電階段出現(xiàn)，甚至可以在低電壓下獲得大電流，即出現(xiàn)負(fù)阻態(tài)，也可以出現(xiàn)在同樣電壓獲得不同放電電流(如圖4e所示)。特別注意的是：在MPP 工作模式下，電壓的微小變化可以誘導(dǎo)較大的電流變化。

　　MPP 電源一般產(chǎn)生高密度金屬離子是通過兩個(gè)過程。在整個(gè)脈寬時(shí)間段，首先初始的小電流放電，然后緊跟一個(gè)大電流的脈沖放電，如圖4a 所示。前者金屬濺射和離化率均較低，但這個(gè)階段很重要，可以大大降低隨后高電壓/ 大電流激烈放電的引燃打火幾率。高離化率階段是整個(gè)磁控濺射中最重要的放電階段，電流和功率都很高�？梢娺@種組合方式提高了等離子體放電的穩(wěn)定性和金屬離化率。

a)2 階/ 前低后高;b)2 階/ 前高后低;c)3 階/ 前低后高;d)3 階/ 前高后低;e)3 階/ 中間低;f)1 階

圖4 Cu 靶真空放電負(fù)載條件下的電壓- 電流波形

2.2、放電電壓對波形形狀的影響

　　圖5 給出了不同放電電壓下的Cu 靶放電波形演變。放電氣壓為1 Pa，工作氣體為氬氣�？梢婋S著放電電壓的提高，放電電流也不斷增大。在研究的電壓變化范圍內(nèi)，第一階電壓階段，放電電流很小，說明激發(fā)功率較小。但是當(dāng)?shù)谝浑A電壓為550 V 時(shí)(圖5d)，已經(jīng)能夠明顯獲得放電電流。對比圖5a 和圖5b 可以發(fā)現(xiàn)，高功率脈電存在一個(gè)突變狀態(tài)。一旦引燃，放電可以在相同電壓附近表現(xiàn)出不同的激發(fā)電流。在高功率放電前，放電類似于傳統(tǒng)的直流放電，一旦轉(zhuǎn)變?yōu)楦吖β薁顟B(tài)，電流迅速變大，如從4 A 轉(zhuǎn)化為15 A。圖5b 給出一個(gè)很有意思的試驗(yàn)結(jié)果,一旦電壓達(dá)到相應(yīng)數(shù)值，放電會(huì)轉(zhuǎn)化為高功率狀態(tài)，產(chǎn)生一段脈沖峰值電流，隨后是脈沖維持電流，但很快又回落到傳統(tǒng)的類直流放電狀態(tài)，盡管此時(shí)放電電壓仍然很高。隨著放電電壓的提高，高功率狀態(tài)維持時(shí)間增加。當(dāng)電壓增加到600 V 時(shí)，高功率狀態(tài)可以維持到脈沖結(jié)束。

圖5 放電電壓對靶電流波形的影響

2.3、放電氣壓對波形形狀的影響

　　圖6 給出了放電氣壓對電流- 電壓波形形狀的影響。保持輸入電壓不變，氣壓變化為1.5 Pa，1 Pa，0.7 Pa，0.6 Pa�？梢姴煌�的放電氣壓誘導(dǎo)出不同的靶電流，也影響著靶上電壓形狀。隨著氣壓的降低，第一階段的電流很快減小，甚至消失。與此不同，第二階段的高功率放電電流基本不變，說明放電電流對氣壓依賴不明顯。但是放電氣壓卻影響著整個(gè)放電時(shí)間，隨著氣壓降低，高功率引燃時(shí)刻不斷地后移。當(dāng)氣壓降到0.6 Pa 時(shí)已經(jīng)無法獲得高功率放電狀態(tài)。為了在低氣壓階段獲得高功率放電，本文研究在初始階段增加了一個(gè)引燃脈沖(如圖7 所示)。該脈沖引起瞬間的大電流放電，這種強(qiáng)放電誘導(dǎo)了“afterglow”效應(yīng)，使得第一臺(tái)階電壓下的微放電可以維持，結(jié)果在高功率脈沖階段獲得了較高的放電電流。如果省略掉第一個(gè)臺(tái)階，在脈沖引燃后直接進(jìn)入高功率狀態(tài)，也可以獲得較大的放電電流�？梢姳疚脑O(shè)計(jì)的電路具有極大的靈活性和放電穩(wěn)定性。

a)1.5Pa;b)1Pa;c)0.7Pa;d)0.6Pa

圖6 放電氣壓對電壓- 電流波形的影響

圖7 有引燃脈沖的電壓- 電流波形

3、總結(jié)

　　研制了基于STC12C5A60S2 單片機(jī)控制的可調(diào)脈沖磁控濺射電源(MPP)，可以實(shí)現(xiàn)多階梯波形，控制方便、精確，運(yùn)行穩(wěn)定。在水負(fù)載的條件下，電壓和電流表現(xiàn)出較好的隨動(dòng)性。在真空室的條件下，放電表現(xiàn)出較大的非線性，甚至?xí)�出現(xiàn)負(fù)阻特性。在MPP 模式下，放電電流主要由初始的小電流和后期的高功率放電電流構(gòu)成。與阻性負(fù)載不同，MPP 放電電壓不僅影響放電電流，也影響放電寬度；;放電氣壓對MPP 高功率放電電流影響較小，但對起輝的時(shí)刻影響較大。在電路里加入引燃脈沖，即使在低氣壓條件下也可有效獲得高功率放電的大電流狀態(tài)。研制的這種MPP磁控濺射電源在鍍膜應(yīng)用方面具有很大的優(yōu)勢。