一种简单实用的PVD镀膜电源模组的制作方法

一种简单实用的pvd镀膜电源模组
技术领域
1.本实用新型涉及一种电源装置，具体来说，特别是涉及一种基于真空磁控溅射过程的电源装置。


背景技术：

2.国内外关于pvd镀膜等离子体电源的研究比较成熟，但仍然存在一些需要解决的问题。如真空室打火、阴极中毒、阳极消失、功率线性调节精度低等问题。
3.磁控溅射工艺要求磁控溅射电源快速电离工作气体形成稳定的等离子体，在靶材表面形成稳定的入射离子流。磁控溅射电源分为直流电源和脉冲电源两种。直流电源制备薄膜时容易出现靶材中毒、阳极消失、放电打弧等问题。脉冲电源分为单极性脉冲电源和双极性脉冲电源，输出的脉冲电压波形近似矩形波。一般都是电源正极与真空室壳体相连接、并接入大地；电源负极与磁控靶相连接，在一个周期内，单向脉冲电源正向电压为零，溅射沉积只发生在负向电压，零电压时靶材表面电荷中和效果不理想；而双极性电源在负向电压时，电源电压用于靶材的溅射；在正向电压时，引入电子清洁靶材表面，中和靶材表面积累的正电荷，能够有效的克服薄膜沉积过程中电荷的积累和打弧，从而有效的解决阴极中毒、阳极消失等问题。目前国内研制等离子体电源的专业厂家很少，生产脉冲磁控溅射电源的厂家就更少，且大都是直流电源和单极性脉冲磁控溅射电源。目前可查到的双极性脉冲磁控溅射电源的解决方案有以下两种：
4.采用一个非对称脉冲发生器研制了双极性脉冲电源样机，由于输出电压不高，不能满足大功率高密度磁控溅射工艺的要求。
5.运用桥式脉冲形成网络电路结构拓扑，在真空镀膜负载上产生最高电压幅值800v正负交替的双极性脉冲。这种方法电路结构复杂，不便于产业化，且正负脉冲对称，仅适用于特定靶材，适用面较窄。如前文所述，正电压承担这着引入电子、中和靶材表面积累的正电荷的任务，从而达到清洁靶材表面、减少打弧的作用，并不需要和承担着溅射沉积功能的负极具备相同的能量。因此，真空磁控溅射过程所需的电压波形应该是非对称双极性的，正电压的幅值和持续时间远小于负电压的幅值和持续时间。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是克服现有技术的缺点，能够精准控制输出功率，能够在负脉冲的上升沿提供一个正脉冲，正脉冲的大小和宽度可调，有效解决了大功率高密度磁控溅射电源控制精度低的问题，降低了真空室打火的概率、抑制了弧靶中毒和阳极消失问题。
7.为达上述目的，本实用新型的一种简单实用的pvd镀膜电源模组，采用以下的技术方案：
8.一种简单实用的pvd镀膜电源模组，包含三相整流及滤波电路，三相整流及滤波电路输入端接三相交流输入，三相整流及滤波电路输出端连接移相逆变全桥电路，移相逆变全桥电路经过高频变压器后接到单相整流电路，单相整流电路依次经过滤波电路、斩波电
路后连接反极性电路；
9.斩波电路与保护电路相连接，保护电路输出端连接控制电路，控制电路输入端连接单相整流电路、滤波电路，控制电路输出端连接移相逆变全桥电路，反极性电路输出端连接真空镀膜负载。
10.进一步，三相整流及滤波电路的二极管d1、d2、d3、d6、d7、d8组成桥臂电路，桥臂的一个对角连接极性电容c2；移相逆变全桥电路中的igbt管q4、q5、q7、q8构成全桥移相电路，电桥的一个对角通过三相整流及滤波电路后接到三相交流输入，电桥的另一个对角接到高频变压器t1。
11.进一步，单相整流电路中的二极管d4、d5、d9、d10构成单相整流电路桥，二极管d4、d5、d9、d10组成桥臂电路，桥臂的一个对角连接高频变压器t1，桥臂的另一个对角连接滤波电路；滤波电路中的滤波电感l1和滤波电容c1构成低通滤波电路，单相整流电路、滤波电路连接到dsp控制板的调相电路及ad接口。
12.进一步，斩波电路的igbt管q3集电极c连接滤波电路，igbt管q3门极g连接n2光耦隔离驱动电路，igbt管q3发射极e通过二极管d12正极
‑
负极接到反极性电路中的电感l2，电感l2另一端接到igbt管q6集电极c；反极性电路由电感l2、igbt管q6组成，电感l2接到输出的正极out ，igbt管q6发射极e接到输出的负极out
‑
，igbt管q6门极g连接n3高速光耦隔离驱动电路。
13.进一步，控制电路由dsp控制板及其外围电路构成，dsp控制板的pwm输出接口经过比较器u1a、n3高速光耦隔离驱动电路后接到反极性电路的igbt管q6门极g；比较放大器u6a引脚3通过电阻r16、r17、r18后接到真空镀膜负载的正电压out 端，比较放大器u6a引脚2通过电阻r21、r22、r23接到真空镀膜负载的负电压out
‑
端，比较放大器u6a输出端通过电阻r20接到dsp控制板的调相电路及ad接口；dsp控制板的高速串口连接上位机。
14.进一步，保护电路由放大器u4a、u5a及其外围电路构成，放大器u4a引脚2通过电阻r8、放大器u5a引脚2通过电阻r15后接到反极性电路的电感l2，放大器u5a引脚1输出端接到dsp控制板的调相电路及ad接口，放大器u4a引脚1经过耦合器u3后接到n2光耦隔离驱动电路及dsp控制板的pwm输出、中断接口，pwm输出、中断接口接到比较器u1a引脚2。
15.本实用新型针对输出功率线性调节精度低，真空室容易打弧等问题，在详细研究真空磁控溅射过程的基础上提出了一种基于移相全桥控制算法、配合电感储能的特点设计的一种高精度非对称双极性脉冲电源。该电源利用移相全桥电路功率控制精度高的特点提高了功率控制精度；利用“电感总是阻碍电流变化”的特点、合理设计电路，在负脉冲结束时产生一个正向电压，且正电压的大小可通过改变电感值的大小来调节。用正电压吸引电子、中和靶材表面积累的正电荷，从而有效降低了真空室打弧的概率，可满足大功率高密度磁控溅射工艺；电路结构简单、方便实现产业化。
16.本实用新型能够精准控制输出功率、能够在负脉冲的下降沿提供一个正脉冲，正脉冲的大小和宽度可调，有效解决了大功率高密度磁控溅射电源控制精度低、降低了真空室打火的概率、抑制了弧靶中毒和阳极消失问题。
附图说明
17.图1所示为本实用新型实施例的电路原理框图；
18.图2所示为本实用新型实施例的电路图。
19.附图标记说明如下：
20.三相整流及滤波电路11，移相逆变全桥电路12，高频变压器t1，单相整流电路14，滤波电路15，斩波电路16，反极性电路17，控制电路18，保护电路19，真空镀膜负载10。
具体实施方式
21.为能进一步了解本实用新型的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，解析本实用新型的优点与精神，藉由以下结合附图与具体实施方式对本实用新型的详述得到进一步的了解。
22.本发明原理框图参见附图1，本实施例提供了基于移相全桥和储能电感的高精度非对称双极性脉冲电源，主电路包括三相整流及滤波电路11，三相整流及滤波电路11输入端接三相交流输入，三相整流及滤波电路11输出端连接移相逆变全桥电路12，移相逆变全桥电路12经过高频变压器t1后接到单相整流电路14，单相整流电路14依次经过滤波电路15、斩波电路16后连接反极性电路17，斩波电路16与保护电路19相连接，保护电路19输出端连接控制电路18，控制电路18输入端连接单相整流电路14、滤波电路15，控制电路18输出端连接移相逆变全桥电路12、斩波电路16，反极性电路17输出端连接真空镀膜负载10。
23.如附图2所示，三相整流及滤波电路11的二极管d1、d2、d3、d6、d7、d8组成桥臂电路，桥臂的一个对角连接极性电容c2；极性电容c2对整流之后的电能进行储能和滤波，将输入三相电整成直流电。
24.在一些实施例中，移相逆变全桥电路12中的igbt管q4、q5、q7、q8构成全桥移相电路，电桥的一个对角通过三相整流及滤波电路11后接到三相交流输入，电桥的另一个对角接到高频变压器t1初级。
25.移相逆变全桥电路12将直流电逆变成高频交流电。根据设定和反馈信号实时调整逆变频率和移相角，实时精准控制输出功率大小。高频变压器t1将输入电压变换成所需电压。
26.单相整流电路14中的二极管d4、d5、d9、d10构成单相整流电路桥，将升压之后的交变电流变换成直流；二极管d4、d5、d9、d10组成桥臂电路，桥臂的一个对角连接高频变压器t1次级，桥臂的另一个对角连接滤波电路15。
27.在一些实施例中，滤波电路15中的滤波电感l1和滤波电容c1构成低通滤波电路，滤掉高频杂波，用lc滤波电路(滤波电感l1与滤波电容c1组成)滤除交流成分、得到干净的直流电；单相整流电路14、滤波电路15连接到dsp控制板的调相电路及ad接口。
28.斩波电路16的igbt管q3集电极c连接滤波电路15，gbt管q3门极g连接n2光耦隔离驱动电路，igbt管q3发射极e通过二极管d12正极
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负极接到反极性电路17中的电感l2，电感l2另一端接到igbt管q6集电极c。斩波电路16将直流电斩断成脉冲波。
29.反极性电路17由电感l2、igbt管q6组成，igbt管q6发射极e接到真空镀膜负载10的负电压out
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端(igbt管q6发射极e接到输出的负极out
‑
)，igbt管q6集电极c通过电感l2接到真空镀膜负载10的正电压out 端，电感l2接到输出的正极out ，igbt管q6门极g连接n3高速光耦隔离驱动电路。
30.在斩波电路16的igbt管q3关断之前的一段时间里，开通反极性电路17的igbt管q6
给电感l2充电；在斩波电路16的igbt管q3关断一段时间之后、斩波电路16下一个脉冲来临之前，关闭反极性电路17的igbt管q6。
31.在一些实施例中，控制电路18由dsp控制板及其外围电路构成，信号采样电路实时采样输出电压、电流，经信号调理电路调理成合适的值之后送给控制电路18，控制电路18根据反馈信号，计算出主功率电路以及反极性电路17中igbt的pwm的频率和脉冲宽度，去控制下一个周期的电源输出功率和反极性电压的大小和脉冲宽度。dsp控制板的pwm输出接口经过比较器u1a、n3高速光耦隔离驱动电路后接到反极性电路17的igbt管q6门极g。反极性电路17输出给真空镀膜负载10的输出电压引出采样控制信号，该采样控制信号经过控制电路18的比较放大器u6a放大整形后，得到pwm输出的驱动信号。
32.比较放大器u6a引脚3通过电阻r16、r17、r18后接到真空镀膜负载10的正电压out 端，比较放大器u6a引脚2通过电阻r21、r22、r23接到真空镀膜负载10的负电压out
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端，比较放大器u6a输出端通过电阻r20接到dsp控制板的调相电路及ad接口。dsp控制板的高速串口连接上位机。
33.保护电路19由放大器u4a、u5a及其外围电路构成，放大器u4a引脚2通过电阻r8、放大器u5a引脚2通过电阻r15后接到二极管d12负极、反极性电路17的电感l2，再经过二极管d12负极
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正极接到igbt管q3发射极e。放大器u4a引脚2通过电阻r8、放大器u5a引脚2接到真空镀膜负载10的正电压out 端。
34.放大器u5a引脚1输出端接到dsp控制板的调相电路及ad接口，放大器u4a引脚1经过耦合器u3(u3a、u3b)后接到n2光耦隔离驱动电路及dsp控制板的pwm输出、中断接口，pwm输出、中断接口接到比较器u1a引脚2。保护电路19对输出电压、电流进行实时侦测、高速处理，确保真空镀膜负载10端出现异常时，电源能在1μs之内关闭igbt、实现对真空镀膜负载10和电源的保护，电源能在1μs之内实施保护。
35.反极性电路中的可变电感可有两种实现方法：
36.1、采用多输出抽头电感。通过实时检测负电压的大小来实时决定采用哪个抽头，负电压越高，采用的电感越大；负电压越小，采用的电感越小。这种方法效果明显，但是由于抽头的离散性，抽头的选择无法非常精准的与真空室内积累的正电荷相匹配。
37.2、采用电感铁芯动态调节的方式调节电感值。这种方法可以得到比较精准的与真空室内积累的正电荷相匹配的正电压，只是磁芯自动调节电路稍显复杂。需要驱动电机动态调节磁芯插入电感线圈的深度。
38.本实施例是采用dsp产生pwm信号，再经驱动电路驱动电机，电机带动执行机构移动磁芯的。本实施例提高电源的控制精度和保护速度，电流互感器进行电流采样，将此采样电流信号输入比较器进行比较，比较器输出接dsp控制板的中断接口引脚，在中断程序处理后发送该过流信息到上位机；本实施例总的反应传输时间小于500ns。
39.本实用新型针对输出功率线性调节精度低，真空室容易打火等问题，提出一种基于异相控制策略配合电感储能的特点设计了一种新型高精度非对称双极性脉冲电源。该电源利用移相全桥功率控制精度高和电感能量不能突变的特性有效提高了功率控制精度、降低了真空室打火的概率，可满足大功率高密度磁控溅射工艺；电路结构简单、方便实现产业化。
40.以上所述实施例仅表达了本实用新型的部分实施方式，其描述较为具体和详细，
但并不能因此而理解为对本实用新型范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。