脉冲直流磁控溅射电源控制器试验分析

　　磁控溅射镀膜机是制备全玻璃真空太阳集热管选择性吸收涂层的关键设备。为进一步提高选择性吸收涂层的性能，需要制备足够厚度的介质层，以降低选择性吸收涂层的反射率，增加涂层的吸收率。目前，Al-N/Al和Cu-Al/SS选择性吸收涂层介质层主要为AlN，采用磁控溅射镀膜技术制备选择性吸收涂层AlN介质层的沉积速率一般为1.5nm/min左右。而优质的选择性Al-N/Al和Cu-Al/SS选择性吸收涂层介质层厚度需要达到60nm～80nm。因此，仅制备介质层的工艺时间将达到40min～60min。工艺时间较长，生产效率较低。为了提高磁控溅射AlN介质层的沉积速率，提出了采用脉冲控制磁控溅射模式。

　　1 SPIK2000A型脉冲直流磁控溅射电源控制器工作原理

　　1.1控制原理

　　控制架构见图1.

　　图1 控制架构

　　如图1所示，等离子能量的供应来自SPIK的大电容， SPIK提供固定电压及瞬间的高电流, 工作过程中激烈的能量反应由SPIK来承担。DC持续地对SPIK电容充电，SPIK可滤除DC的涟波，提供纯直流。控制器最高程控频率可达 50kHz，可自由调整脉冲时间控制参数T+on,T+off,T -on,T-off，快速电弧侦测、抑弧时间小于2 μs，多功能操作模式DC+, DC-,UP+,UP-, BP。

　　图2为对称(单DC)/非对称(双DC)脉冲输出图。

　　图2 输出模式

　　如图2所示，对称 (单 DC) / 非对称 (双 DC) 脉冲输出，可提供瞬间高功率产生高密度等离子体，可自由编辑任意波形脉冲输出。

　　1.2实验设备与对接方式

　　1.SPIK2000A型脉冲直流磁控溅射电源控制器，提供厂家为台湾伸昌电机股份有限公司。

　　2.镀膜机，全玻璃真空太阳能集热管镀膜机，腔体内径为φ750mm，中置柱状溅射铝靶，可镀φ37全玻璃真空集热管30支。

　　3.示波器，OS-5020型，提供厂家为韩国EZ.DIGITAL

　　对接方式为： 脉冲直流磁控溅射电源控制器电源输入端对接镀膜机直流电源的输出端，控制器输出端直接接镀膜机的阴极(靶)和阳极(机壳)，即该控制器串联在原电源输出和镀膜机的阴阳极之间，控制器的控制电源单独提供。

　　2 实验过程与数据

　　2.1稳定性测试

　　2.1.1工作模式

　　图3为负脉冲模式下的波形曲线，波形参数为T ?on=20μs，T ?off=10μs，图3中红线部分为有直流脉冲控制器输出的脉冲曲线，对于一个波形周期，电流工作时间为20μs，非工作时间，即电容充电时间为10μs，曲线表现出典型的方波特征，且处于工作状态时，电压相对平稳，曲线显示电压波动在±10V以内(保守估算)。图3中蓝色曲线为输入到脉冲控制器的电压波形，即电源本身输出的电压波形，其中最大电压为304V，最小电压为264V,这表明由直流电源输出的电压波动在±20V范围内，相对稳定性较差。

　　图3 负脉冲模式下的波形曲线

　　图4为双极性脉冲工作模式下的波形曲线，设定参数为T ?on=40μs，T ?off=10μs，T+on=10μs，T+off=10μs。由图4中红色曲线可以看出，在一个周期内，负脉冲工作时间为40μs。

　　图4 双极性脉冲工作模式

　　波形为典型的方波，波形曲线平稳。负脉冲停止时间(即电容充电时间)为10μs，波形波动较大，正脉冲工作时间为10μs，波形波动也相对较大，正脉冲停止时间为10μs，波形则为斜波。对于反应磁控溅射的工作特征而言，只有磁控溅射靶处于负电位状态时，才处于溅射状态，而处于正电位状态时，可以减弱，甚至消除靶表面正电荷的积累，从而减少，甚至可能消除靶表面出现的电弧。

　　2.1.2放电曲线测试

　　如图5所示，当fAr=57SCCM、本底真空1.4×10-3Pa、I=20A时，不同氮气流量时靶电压变化数据与曲线。

　　A 靶电压变化曲线　　　　　　　　　　　　B 靶功率变化曲线

　　图5 不同工作模式下的靶电压和靶功率变化曲线

　　由图5可以看出，采用脉冲控制模式时，溅射靶电压和功率均有明显的提高，且采用双极性脉冲时的靶电压比负脉冲模式高。放电曲线的拐点位置随采用的工作模式不同而出现前移或后移现象。

　　在溅射过程中，采用负脉冲工作时，溅射靶工作稳定性良好，而采用双击脉冲工作模式时，当反应气体N2流量较大时，溅射电压偶然会出现超过800V的过压现象，造成系统断电保护。通过修正设定参数，可以消除溅射过程中的过压现象，但仍表现出偶然的电压或电流的波动问题。

　　2.1.3电弧检测试验

　　SPIK2000A型脉冲直流磁控溅射电源控制器具有侦测电弧放电和计数的功能，但不能显示累加计数。试验过程中分别设定了Arcl±200A、Arcl±150A、Arcl±100A、Arcl±75A、Arcl±50A、Arcl±40A、Arcl±35A、Arcl±30A等参数，工作模式为DC-，试验结果表明：Arcl在±150A以上时，几乎侦测不到有电弧发生，Arcl在±100A时开始有电弧计数，并随着范围的减小电弧计数增加。Arcl为±50A时，已经有明显的数量较多的电弧计数，数量级