Биполярный источник питнаия для магнетронных распылительных систем мощностью 10 кВт

Источники питания APEL-M-10BP принадлежат к новому поколению систем питания для магнетронных  распылительных систем, в которых реализован принцип питания магнетрона биполярным импульсным током сложной формы. Работа источников питания в импульсном режиме снижает частоту появления дуг, но использование униполярных импульсов не позволяет полностью их предотвратить. Биполярные источники питания, обеспечивающие подачу на катод магнетрона импульса положительного напряжения, гарантируют работу магнетрона без формирования дуг даже на очень загрязненной, или полностью отравленной мишени. Нами разработана серия источников электропитания для магнетронных распылительных систем, формирующих на нагрузке биполярные ассиметричные импульсы напряжения. 

Наиболее широкое применение биполярные источники питания находят в технологиях нанесения диэлектрических покрытий с помощью реактивного магнетронного распыления. Реактивное магнетронное распыление - это сложный плазмохимический процесс, в результате которого осуществляется формирование непроводящих покрытий.  Несмотря на множество преимуществ, малые скорости осаждения покрытий и низкая стабильность процесса ограничивают применение реактивного напыления для формирования диэлектрических плёнок. К сожалению биполярное питание не обеспечивает достаточной стабильности процесса. Проблема заключается в следующем: в процессе реактивного распыления химически активный газ вступает в реакцию с атомами распыленного материала и образует диэлектрическое покрытие на подложке, кроме того диэлектрические пленки образуются на стенках камеры и поверхности катода магнетрона, что приводит к частому образованию дуговых пробоев и уменьшению скорости напыления покрытия.

В литературе подробно рассмотрены причины и механизмы возникновения пробоев, а также приведены примеры решения данных проблем с помощью среднечастотных импульсных источников питания. Биполярные источники питания обладают большей эффективностью, благодаря положительным импульсам, устраняющим заряд на поверхности диэлектрика. Стабильный режим работы обеспечивается в случае достижения равновесного состояния в процессах, протекающих  на поверхности катода магнетрона.

Еще одним преимуществом биполярного питания является увеличение скорости нанесения диэлектрических пленок благодаря явлению «предпочтительного распыления» (preferential sputtering). За счет отрицательного заряда образовавшегося на поверхности слоя диэлектрика к началу отрицательного импульса катод магнетрона бомбардируют ионы аргона с большей энергией. В результате этого диэлектрическая пленка удаляется с поверхности и предотвращается окисление катода.

Учитывая все преимущества биполярного питания, в нашей компании была разработана серия среднечастотных импульсных источников питания, формирующих ассиметричные импульсы тока в диапазоне от 1 до 100 кГц. При этом длительность положительных импульсов регулируется  в пределах от 3 до 50 мкс. Данные параметры импульсов позволяют работать с самыми капризными материалами (напрямер алюминий). 

Ключевым блоком источника питания, во многом определяющим его эффективность, является выходной формирователь импульсов (ВФИ). Амплитуда положительного импульса определяется коэффициентом трансформации Тр и составляет от 15 -20 % от амплитуды отрицательного импульса. Для ограничения тока во время положительного импульса  используется ограничительное сопротивление. Данное сопротивление определяет положительный ток, и, следовательно, скорость снятия заряда с поверхности диэлектрика. Для снижения динамических потерь при переключении транзисторов в источнике питания используются снабберы тока и напряжения.

Для оценки работы биполярных источников питания серии APEL-M-BP наша компания совместно сотрудниками Института Сильноточной Электроники СО РАН было исследовано влияние частоты формирования биполярных импульсов на стабильность процесса реактивного распыления.  Было обнаружено, что равновесие в процессах перезарядки диэлектрических слоев на поверхности катода в реактивном режиме обеспечивается при достаточной частоте формирования импульсов. 

Ключевым параметром, определяющим негативное влияние дуги на свойства покрытий, является величина энергии, вложенной в дуговой разряд. В свою очередь величина этой энергии зависит от времени реакции системы. Источник питания имеет два способа детектирования дуги: по току (защита срабатывает, когда ток достигает некоторого предустановленного значения), и по напряжению (защита срабатывает, когда напряжение на разряде падает ниже предустановленного значения). Детектирование дуги по напряжению является более быстрым. Возникновение дуги сопровождается резким падением напряжения на катоде, которое фиксирует система управления источника. Механизм подавления дуги включает в себя два этапа: 1 - подача импульса напряжения положительной полярности на катод. 2 - временное снятие напряжения с катода. От момента возникновения дуги до момента полного прекращения  тока проходит около 1мкс. При рабочем токе 10А величина энергии вложенной в дугу  не превысит 5 мДж.

Серия включает источник питания с стандартным выходным напряжением 650 В и с повышенным напряжением 800 В, пораметры данных модификаций приведены в таблице.