电弧离子镀用脉冲负偏压电源设计中的负载简化.doc

*国家“863”计划项目资助（2002AA302507）

电弧离子镀用脉冲负偏压电源设计中的负载简化*

戚栋1王宁会1林国强2丁振峰2
1.大连理工大学电气工程系；2.大连理工大学三束材料改性国家重点实验室
中国大连116024

摘要:针对电弧离子镀的等离子体负载在脉冲负偏压电场作用下，其电压、电流出现振荡的现象，用等离子体物理理论和计算机电路仿真模拟分析，明确了电弧离子镀的等离子体负载的特性本质是由等离子体鞘层引起的容性负载，它可以简化成电工学中的电容和电阻的并联单元，这个电容和电阻在等离子体物理学中有准确的定量描述，从而为专供电弧离子镀等离子体负载用的脉冲负偏压的电源设计，解决了最为关键的理论问题。

关键词：电弧离子镀等离子体脉冲偏压电源负载

电弧离子镀是PVD技术中的一个重要分支，尤其是在TiN类硬质薄膜的合成中，起着至关重要的作用[1]。
传统的电弧离子镀一直是以直流负偏压为基础工艺的，由于在这种工作制度下等离子体负载的表现形式类似普通的固定阻值的电阻，因而其电源设计也比较简单。
九十年代末，应薄膜低温合成的要求，产生了脉冲负偏压的电弧离子镀技术，发展至今它虽在工业生产中得到了一定的应用，但其基础研究工作进展缓慢[2]。其中一个很重要的原因，就是专供电弧离子镀的等离子体负载使用的脉冲负偏压电源的设计问题，至少迄今人们还没有找到这类电源的设计原则或者关键技术，从而无法满足离子镀工艺所要求的输出规范波形的要求。究其原因，是由于人们还未触摸到这种工艺状态下的电弧离子镀等离子体负载的特性本质，以至于不能在电源设计时找到完全能够代表等离子体负载特性的简化的等效电路。
本文用在脉冲负偏压作用下的电弧离子镀技术沉积合成TiN薄膜，考察薄膜沉积过程中的负载电压、电流的表现形式，在应用等离子体物理理论并结合计算机仿真模拟分析的基础上，探询电弧离子镀在脉冲偏压作用下的等离子体负载特性，对这一特殊负载试图在电工学范畴内的进行简化，并在等离子体物理学中对简化了的电器元件给予量化描述，以解决电源设计中的关键问题。

电弧离子镀设备、偏压电源与测量系统

实验的薄膜合成设备为俄产Bulat6型电弧离子镀沉积系统，测量系统主要由电流探头(TektronixTM501A)、电压探头(EP-100K.fromPulseElectronicEngineeringCo.Ltd)和数据存储示波器（500MHz—1GSa/Smemoryondoscope，HP5014A）组成。伴随薄膜合成过程检测电源负载（包括：脉冲偏压下的电弧离子镀等离子体负载和电源的泄放电阻）回路中的电压、电流强度及其波形。

2脉冲偏压下的负载电流

将电压、频率均连续可调的脉冲电源，接到电弧离子镀的等离子体负载回路上，在弧电流I1=I2=72A，N2的气体分压PN2=0.30Pa下，提供脉冲负偏压U=680v、f=25kHz、占空比D=50%，来合成TiN薄膜。经检测脉冲电源输出的电压、电流发现，其波形发生了较大变化，与纯电性负载时检测到的矩形波完全不同，此时电压、电流呈局部振荡，如图1所示。这说明电弧离子镀的等离子体负载具有特殊性，是负载特性的改变决定了电压、电流波形的异常变化。

3电弧离子镀等离子体负载的特性本质

图1脉冲负偏压电源输出的电压、电流波形（实验）
1——电流波形脉冲电流探头的灵敏度为200mV/A
2——电压波形脉冲电压探头衰减比为1000：1
2
0
0
1
1A/div
500V/div
20µs/div
等离子体物理理论认为，在对等离子体外加负电场时，会在电场载体表面吸引相应数量的正电荷形成等离子体鞘层，随着电场强度增加，这一鞘层相应增厚。
考虑到这种鞘层的特性与电容器的工作原理相类似，为了探询等离子体负载特性本质，我们将偏压电源的输出回路在设备上撤下，然后接入不同电容值的电容器，结果得到了与图1相类似的电压、电流振荡波形。至此，可以肯定，等离子体在外加电场作用下呈现容性负载的特性。
为进一步明确其本质，运用电路理论并结合电源结构特点对这种负载的表现形式进行计算机模拟仿真研究。
3.1建立仿真模型
S1
E
V1
D1
L1
R
C
RL
R1
Plasmaload

a

图2电弧离子镀脉冲负偏压电源与负载的仿真模型
在分析实验得到的等离子体负载特征波形（电压、电流）基础上，结合电源结构特点，建立如图2所示的仿真模型。
图2中Ｅ、S1、V1、D1、L1、R1、RL构成脉冲电源的仿真模型.其中RL为并接在电源输出端的泄放电阻。R、C构成电弧离子镀装置的等离子体负载的简化模型。这里说明一点，从微观（时间上）看，R、C是在某一范围内变化的、非线性变量，但从宏观（时间上）看，假设它们在一次实验中（设备工