脈沖直流磁控濺射電源控制器試驗分析

　　磁控濺射鍍膜機是制備全玻璃真空太陽集熱管選擇性吸收涂層的關(guān)鍵設備。為進一步提高選擇性吸收涂層的性能，需要制備足夠厚度的介質(zhì)層，以降低選擇性吸收涂層的反射率，增加涂層的吸收率。目前，Al-N/Al和Cu-Al/SS選擇性吸收涂層介質(zhì)層主要為AlN，采用磁控濺射鍍膜技術(shù)制備選擇性吸收涂層AlN介質(zhì)層的沉積速率一般為1.5nm/min左右。而優(yōu)質(zhì)的選擇性Al-N/Al和Cu-Al/SS選擇性吸收涂層介質(zhì)層厚度需要達到60nm～80nm。因此，僅制備介質(zhì)層的工藝時間將達到40min～60min。工藝時間較長，生產(chǎn)效率較低。為了提高磁控濺射AlN介質(zhì)層的沉積速率，提出了采用脈沖控制磁控濺射模式。

　　1 SPIK2000A型脈沖直流磁控濺射電源控制器工作原理

　　1.1控制原理

　　控制架構(gòu)見圖1.

　　圖1 控制架構(gòu)

　　如圖1所示，等離子能量的供應來自SPIK的大電容， SPIK提供固定電壓及瞬間的高電流, 工作過程中激烈的能量反應由SPIK來承擔。DC持續(xù)地對SPIK電容充電，SPIK可濾除DC的漣波，提供純直流?？刂破髯罡叱炭仡l率可達 50kHz，可自由調(diào)整脈沖時間控制參數(shù)T+on,T+off,T -on,T-off，快速電弧偵測、抑弧時間小于2 μs，多功能操作模式DC+, DC-,UP+,UP-, BP。

　　圖2為對稱(單DC)/非對稱(雙DC)脈沖輸出圖。

　　圖2 輸出模式

　　如圖2所示，對稱 (單 DC) / 非對稱 (雙 DC) 脈沖輸出，可提供瞬間高功率產(chǎn)生高密度等離子體，可自由編輯任意波形脈沖輸出。

　　1.2實驗設備與對接方式

　　1.SPIK2000A型脈沖直流磁控濺射電源控制器，提供廠家為臺灣伸昌電機股份有限公司。

　　2.鍍膜機，全玻璃真空太陽能集熱管鍍膜機，腔體內(nèi)徑為φ750mm，中置柱狀濺射鋁靶，可鍍φ37全玻璃真空集熱管30支。

　　3.示波器，OS-5020型，提供廠家為韓國EZ.DIGITAL

　　對接方式為： 脈沖直流磁控濺射電源控制器電源輸入端對接鍍膜機直流電源的輸出端，控制器輸出端直接接鍍膜機的陰極(靶)和陽極(機殼)，即該控制器串聯(lián)在原電源輸出和鍍膜機的陰陽極之間，控制器的控制電源單獨提供。

　　2 實驗過程與數(shù)據(jù)

　　2.1穩(wěn)定性測試

　　2.1.1工作模式

　　圖3為負脈沖模式下的波形曲線，波形參數(shù)為T ?on=20μs，T ?off=10μs，圖3中紅線部分為有直流脈沖控制器輸出的脈沖曲線，對于一個波形周期，電流工作時間為20μs，非工作時間，即電容充電時間為10μs，曲線表現(xiàn)出典型的方波特征，且處于工作狀態(tài)時，電壓相對平穩(wěn)，曲線顯示電壓波動在±10V以內(nèi)(保守估算)。圖3中藍色曲線為輸入到脈沖控制器的電壓波形，即電源本身輸出的電壓波形，其中最大電壓為304V，最小電壓為264V,這表明由直流電源輸出的電壓波動在±20V范圍內(nèi)，相對穩(wěn)定性較差。

　　圖3 負脈沖模式下的波形曲線

　　圖4為雙極性脈沖工作模式下的波形曲線，設定參數(shù)為T ?on=40μs，T ?off=10μs，T+on=10μs，T+off=10μs。由圖4中紅色曲線可以看出，在一個周期內(nèi)，負脈沖工作時間為40μs。

　　圖4 雙極性脈沖工作模式

　　波形為典型的方波，波形曲線平穩(wěn)。負脈沖停止時間(即電容充電時間)為10μs，波形波動較大，正脈沖工作時間為10μs，波形波動也相對較大，正脈沖停止時間為10μs，波形則為斜波。對于反應磁控濺射的工作特征而言，只有磁控濺射靶處于負電位狀態(tài)時，才處于濺射狀態(tài)，而處于正電位狀態(tài)時，可以減弱，甚至消除靶表面正電荷的積累，從而減少，甚至可能消除靶表面出現(xiàn)的電弧。

　　2.1.2放電曲線測試

　　如圖5所示，當fAr=57SCCM、本底真空1.4×10-3Pa、I=20A時，不同氮氣流量時靶電壓變化數(shù)據(jù)與曲線。

　　A 靶電壓變化曲線　　　　　　　　　　　　B 靶功率變化曲線

　　圖5 不同工作模式下的靶電壓和靶功率變化曲線

　　由圖5可以看出，采用脈沖控制模式時，濺射靶電壓和功率均有明顯的提高，且采用雙極性脈沖時的靶電壓比負脈沖模式高。放電曲線的拐點位置隨采用的工作模式不同而出現(xiàn)前移或后移現(xiàn)象。

　　在濺射過程中，采用負脈沖工作時，濺射靶工作穩(wěn)定性良好，而采用雙擊脈沖工作模式時，當反應氣體N2流量較大時，濺射電壓偶然會出現(xiàn)超過800V的過壓現(xiàn)象，造成系統(tǒng)斷電保護。通過修正設定參數(shù)，可以消除濺射過程中的過壓現(xiàn)象，但仍表現(xiàn)出偶然的電壓或電流的波動問題。

　　2.1.3電弧檢測試驗

　　SPIK2000A型脈沖直流磁控濺射電源控制器具有偵測電弧放電和計數(shù)的功能，但不能顯示累加計數(shù)。試驗過程中分別設定了Arcl±200A、Arcl±150A、Arcl±100A、Arcl±75A、Arcl±50A、Arcl±40A、Arcl±35A、Arcl±30A等參數(shù)，工作模式為DC-，試驗結(jié)果表明：Arcl在±150A以上時，幾乎偵測不到有電弧發(fā)生，Arcl在±100A時開始有電弧計數(shù)，并隨著范圍的減小電弧計數(shù)增加。Arcl為±50A時，已經(jīng)有明顯的數(shù)量較多的電弧計數(shù)，數(shù)量級達到千數(shù)級。電弧計數(shù)數(shù)量隨氮氣流量的增加而增加。當Arcl設定為±40A，或范圍更小時，電弧頻繁出現(xiàn)，且累加計數(shù)很容易超出控制器設定的10000次范圍而導致控制保護滅弧，電源不工作。Arcl設定為±30A，電源不工作，靶面不起輝光。在負脈沖和雙極性脈沖工作模式時，當Arcl設定值分別為±100A、Arcl±75A、Arcl±50A三種參數(shù)，情況基本類似。

　　這表明，在沉積Al-N/Al涂層的反應磁控濺射工藝過程中，存在明顯的電弧現(xiàn)象。在工作電流為20A～25A范圍，電弧主要在集中在75A以下，少量在100A，幾乎沒有超過150A的電弧發(fā)生。SPIK2000A型脈沖直流磁控濺射電源控制器具有一定的抑制電弧功能，但仍不能避免電弧的發(fā)生。而如果沒有SPIK的控制，則工藝過程中可能會有更多的電弧發(fā)生。

　　目前測試的幾種工作模式，并不能完全消除靶表面電弧的產(chǎn)生，包括采用雙極性脈沖的工作模式。而采用雙極性脈沖工作模式時的正脈沖工作時間段對于提高濺射速率不起任何作用，且同時浪費了功率。因此，對于微觀質(zhì)量要求不是極其嚴格太陽選擇性吸收涂層而言，相對于負脈沖工作模式，采用該種工作模式不一定是一種很好的形式。但是，對于涂層微觀性能要求嚴格的光學或半導體涂層，可能會有質(zhì)量上的改善，如減少涂層缺陷等。

　　2.2沉積速率測試

　　圖6為優(yōu)化后的不同工作模式下，單層涂層沉積速率測試表?？梢钥闯?，對于沉積減反層而言，采用附加直流脈沖控制器時，涂層的沉積速率明顯大于無控制器時的涂層沉積速率，其沉積速率由1.45nm/min分別提高到3.93nm/min和4.93nm/min，分別提高了2.7倍和3.4倍。在沉積吸收層和減反層時，采用脈沖控制模式時，沉積速率也有較大的增加

　　圖6 不同工作模式下單層涂層沉積速率

　　在3種工作模式中，以正負脈沖模式的沉積速率最高，其次是負脈沖工作模式，而直流工作模式的沉積速率最低。但是對于單位功率條件下的沉積速率而言， 僅在沉積減反層時，采用正負脈沖工作模式時，功率效率為其他兩種工作模式的1.5倍，但絕對值并沒有顯著的提升，但此時可能出現(xiàn)電壓過壓現(xiàn)象。而在濺射吸收層和金屬層時，則沒有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。

　　這表明：采用負脈沖和雙極性脈沖時，可以通過提升濺射靶的濺射電壓和濺射功率來提高涂層的沉積速率。但單位功率效率沒有顯著的提升。因此，在濺射電源功率節(jié)能方面沒有表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。但在提升生產(chǎn)效率，減少工藝時間，提高產(chǎn)品性能，降低整體能耗等方面應具有較明顯的優(yōu)勢。

　　3結(jié)論

　　1.采用SPIK控制模式進行太陽選擇性吸收涂層的沉積時，相同工作條件下，濺射靶電壓、功率均明顯增加，涂層的沉積速率也明顯增加，但單位功率效率增加不明顯。

　　2.采用SPIK控制模式，可以較好地檢測和抑制濺射過程中大電弧的產(chǎn)生，從而為制備優(yōu)質(zhì)的涂層提供幫助。

　　3.通過采用SPIK控制模式，在提升生產(chǎn)效率，減少工藝時間，提高產(chǎn)品性能，降低整體能耗等方面應具有較明顯的優(yōu)勢。