磁控濺射靶電源研發(fā)、設(shè)制與使用小結(jié)——前言
摘要
本文闡述了真空磁控濺射鍍膜的基本原理與工況;闡述了真空磁控濺射陰極常用靶電源的不同種類、主要特點(diǎn)、技術(shù)性能、負(fù)載特性及應(yīng)用范圍;同時對各靶電源的選型、安裝接線及使用注意事項作了詳細(xì)說明。
關(guān)鍵詞
輝光放電,等離子體,陰極濺射,磁控濺射,磁控濺射靶,磁控濺射靶電源
前言
真空磁控濺射鍍膜用陰極電源，又稱為磁控濺射靶電源。其主要作用是為不同的磁控濺射工藝和磁控靶提供符合濺射沉積放電要求的電壓、電流和波形。
可以通過靶電源改變磁控靶的濺射電壓提高工作氣體的離化率和改變轟擊陰極靶材的離子能量;可以通過靶電源改變磁控靶工作電流密度，改變靶材的濺射率和膜層的沉積率;通過改變靶電源輸出的電壓電流及波形(例如直流;不同頻率的交流或脈沖直流的矩形或類矩形脈沖波、正弦或類正弦波及類鋸齒波等)，改善濺射沉積工藝質(zhì)量控制過程;在反應(yīng)磁控濺射中，通過改變靶電源的輸出波形與脈沖電壓極性，可以中和靶面未濺射高阻絕緣層面的正電荷積累，減少打弧次數(shù)，防止“靶中毒”和“陽極消失”，使反應(yīng)濺射過程得以穩(wěn)定進(jìn)行;靶電源通過對打弧電流精確有效的管理，可以抑制弧電流帶來的危害，提高濺射沉積薄膜質(zhì)量，并確保靶電源的運(yùn)行安全。
靶電源是磁控濺射鍍膜的關(guān)鍵設(shè)備之一,它的控制特性和質(zhì)量優(yōu)劣直接影響著待鍍膜工件膜層的質(zhì)量好壞。
本文將從如下幾個方面分別予以介紹： 磁控濺射鍍膜和磁控靶的真空氣體放電的基本原理與特性;各靶電源的控制特性和靶電源的電壓、電流與波形等主要技術(shù)參數(shù);靶電源負(fù)載的阻抗特性;靶電源的選擇和使用;靶電源的安裝接線和使用注意事項等。
工作實踐表明：只有正確認(rèn)識和深入了解真空磁控濺射鍍膜的基本原理與工況、各類靶電源主要技術(shù)性能和特點(diǎn)，搞清各種靶電源在真空磁控濺射鍍膜工藝過程中的特定位置和作用以及磁控靶氣體放電的基本特性，設(shè)計研發(fā)人員才能設(shè)計出控制性能良好、可靠性高的磁控濺射鍍膜靶電源;而鍍膜工藝技術(shù)人員和真空鍍膜設(shè)備的操作使用者才能根據(jù)各類靶電源的不同特點(diǎn)，正確合理地選擇靶電源，并根據(jù)不同的鍍膜工藝、不同規(guī)格型號的磁控靶和不同設(shè)備的真空條件與參數(shù)，靈活地改變和設(shè)置靶電源輸出的電壓、電流與波形等技術(shù)參數(shù)，確保磁控濺射鍍膜工藝過程正常、穩(wěn)定地進(jìn)行;才能在磁控濺射鍍膜工藝和科研項目中，得到最佳結(jié)果。
真空磁控濺射鍍膜是一個多真空環(huán)境條件、多控制變量(如電場、磁場、氣氛與壓力、靶材、基片偏壓、溫度及轉(zhuǎn)速、真空腔體幾何結(jié)構(gòu)等參數(shù))相互影響和制約的復(fù)雜的工藝控制過程，工藝過程中不能完全確定和控制的因素很多;在不同的磁控濺射裝置上，或在沉積不同的材料膜層時，還需要對影響和制約磁控濺射鍍膜的各個環(huán)境參數(shù)與工藝參數(shù)進(jìn)行試驗和探索。
由于可用于磁控濺射的鍍膜靶材和反應(yīng)磁控濺射沉積的化合物膜層的“廣泛存在”，在磁控濺射鍍膜的工程項目中，可能會不斷面對需要濺射新的靶材、濺射沉積新的膜層這一問題。因此，鍍膜工藝工程師、靶電源設(shè)計研發(fā)工程師、售后與維修等人員除了需要關(guān)注和了解各種靶電源本身的特點(diǎn)、各項額定技術(shù)參數(shù)以及所鍍膜層的具體工藝參數(shù)外，對于由磁控濺射各種真空環(huán)境條件和參數(shù)(例如壓力、磁場、阻抗、波形、頻率與打弧放電等)變化所引起的靶電源相應(yīng)輸出電壓與波形、電流與真空腔體內(nèi)阻抗以及“打弧”等參數(shù)的變化，以及其對膜層的質(zhì)量和其它技術(shù)指標(biāo)的影響程度、變化趨勢、各控制變量之間的相互制約關(guān)系，也需要進(jìn)行掌控;縮短磁控濺射鍍膜工藝研發(fā)與最佳鍍膜工藝參數(shù)的試驗和探索過程，節(jié)省很多寶貴的時間和費(fèi)用。
本文中的各項技術(shù)參數(shù)，除了國家【標(biāo)準(zhǔn)】及有關(guān)【技術(shù)規(guī)范】描述的條文以外，均不應(yīng)視作絕對的數(shù)值與概念，而應(yīng)看作是在一定真空環(huán)境條件下具有一定變化范圍的動態(tài)的相對參考值。
關(guān)于磁控濺射鍍膜的基本原理，例如“磁控濺射的本質(zhì)”、“不同頻率、不同波形、不同幅值與占空比偏壓的作用”、“各靶電源的不同特點(diǎn)”以及“不同靶電源在磁控濺射鍍膜過程中的作用與應(yīng)用范圍”等問題，是“仁者見仁，智者見智”，各專家學(xué)者的看法和意見也不盡相同，本文撰寫中采用了“主流的意見與觀點(diǎn)”。
筆者從鍍膜工藝和工程實用的角度出發(fā)進(jìn)行分析與描述，文中的很多內(nèi)容限于篇幅只能“點(diǎn)到為止”。如讀者想作進(jìn)一步深入了解，可參閱其它的技術(shù)文獻(xiàn)。
本文的閱讀對象：靶電源的研發(fā)設(shè)計人員，真空鍍膜工藝工程師，真空鍍膜設(shè)備的操作、營銷、售后維修人員以及青年學(xué)生等。許多同事和朋友希望在業(yè)內(nèi)有人撰寫技術(shù)文章，較為系統(tǒng)、全面地介紹真空磁控濺射鍍膜靶電源及其應(yīng)用。本人有幸從事磁控濺射靶電源的設(shè)計、研發(fā)技術(shù)主管多年，工作中頗有心得體會，現(xiàn)僅將與磁控濺射靶電源電氣特性有關(guān)的內(nèi)容略加小結(jié)，整理成文，供業(yè)內(nèi)的同事和朋友們分享與討論。水平所限，文中難免存在錯誤和以偏概全之處，懇請讀者和業(yè)內(nèi)有識之士指正。在此，謹(jǐn)對曾經(jīng)支持過我工作的同事和業(yè)內(nèi)外的許多專家與朋友，一并致謝。
未完待續(xù)，下接該文的“磁控濺射基本原理與工況” 部分。
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