ЭЛЕКТРОНИКА И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.311.62
МОДУЛЬНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ МОЩНЫХ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ УСТАНОВОК
© 2014 г. В. О. Оскирко*- **, Н. С. Сочугов*- **, А. П. Павлов*, **
*Институт сильноточной электроники СО РАН Россия, 634055, Томск, просп. Академический, 2/3 **ООО "Прикладная электроника" Россия, 634055, Томск, просп. Академический, 15-80 E-mail: oskirkovo@gmail.com Поступила в редакцию 18.11.2013 г.
Описаны схемотехнические решения, конструкция и основные параметры модульного импульсного биполярного источника электропитания для мощных ионно-плазменных установок. Модульный принцип построения источника питания позволил применить его в различных процессах. Представлены результаты испытаний разработанного устройства в качестве источника питания магне-тронной распылительной системы мощностью 60 кВт и высоковольтного источника питания смещения подложки мощностью 40 кВт. Экспериментально показана эффективность применения биполярных импульсов для предотвращения дугообразования на катоде магнетрона.
DOI: 10.7868/S0032816214050127
ВВЕДЕНИЕ
Успех промышленного применения ионно-плазменных технологий и, в частности, технологий магнетронного напыления в значительной мере определяется параметрами источников питания (и.п.). Во многом именно от и.п. зависит стабильность процесса напыления и качество получаемого покрытия.
Нанесение покрытий с высокой скоростью на большую поверхность обусловливает необходимость применения протяженных магнетронных распылительных систем (м.р.с.). Для питания м.р.с. протяженностью свыше полуметра требуется источник с выходной мощностью от 10 до 100 кВт в зависимости от длины магнетрона. Чтобы перекрыть столь широкий диапазон мощностей, обеспечить технологичность, удобство эксплуатации и невысокую цену, при конструировании применяют принцип модульности, заключающийся в делении мощного и.п. на идентичные модули меньшей мощности. С эксплуатационной точки зрения принцип модульности обеспечивает минимизацию временных потерь при устранении неполадок за счет оперативной замены неисправного модуля на запасной.
У источников питания с модульной конструкцией есть и недостатки. Система управления таких и.п. существенно сложнее, так как она должна обеспечить выполнение ряда комплексных задач: равномерное распределение нагрузки на модули, синхронную реакцию всех модулей, сбор и анализ данных о состоянии модулей.
Одной из ключевых проблем технологий маг-нетронного напыления является дугообразова-ние. В процессе распыления тлеющий разряд м.р.с. может перейти в дуговой, образующий локальный ионизированный канал с низким импедансом между катодом и анодом. Дугообразова-ние сопровождается резким падением напряжения горения разряда и ростом тока. Дуговой разряд приводит к локальному плавлению и испарению некоторого количества материала катода. Испарившийся материал осаждается на подложке в виде микрокапель и микрочастиц, образующих дефекты в растущей пленке [1, 2].
Качество покрытия во многом зависит от энергии, выделяемой локально в дуговом разряде. Величина этой энергии в основном определяется временем реакции источника питания на дуговой пробой. Для подавления возникшего дугового разряда используют или полное снятие питающего напряжения, или резкую смену его полярности. Чтобы горячее катодное пятно на поверхности мишени остыло, повторное включение проводят спустя ~1 мс. Для быстрого обнаружения пробоя используются специальные способы детектирования по увеличению тока и падению напряжения [1, 3—7].
При учащении дуговых пробоев становится сложнее удерживать установленные параметры, а следовательно, получать заданные характеристики покрытия. Современный источник питания м.р.с. должен не только быстро и эффективно реагировать на дуговые пробои, но и снижать вероятность их возникновения. Для этого необходимо
Блок управления
I А >
1 2\ 3
С
Г
3
и
---Канал управления
силовыми блоками
----Обратная связь
-Последовательный интерфейс
—^ Силовой кабель
Силовой блок 1
Силовой блок 2
Силовой блок 6
и и
а £
к о л Б
е к
со
у &
а н к
Рис. 2. Структурная схема силового блока. 1—5 -налы управления и обратной связи.
ка-
Рис. 1. Структурная схема источника питания м.р.с. 1—3 — оптические каналы.
обеспечить импульсный среднечастотный режим работы, в котором каждый период состоит из отрицательного импульса с параметрами, необходимыми для распыления мишени, и паузы или положительного импульса [8, 9]. Длительности положительного и отрицательного импульсов определяются из условия равновесия в процессах, протекающих на поверхности мишени магнетрона [10, 11].
При нанесении толстых покрытий процесс напыления занимает продолжительное время, что требует от источника питания высокой надежности.
В данной статье описан модульный источник питания с биполярным импульсным выходным напряжением частотой до 100 кГц и мощностью до 60 кВт, отвечающий современным требованиям, предъявляемым к источникам питания для магнетронных распылительных систем.
ОБЩАЯ СХЕМА ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ М.Р.С.
При создании источника питания использовался модульный принцип построения. Модулем является силовой блок со следующими предельными выходными параметрами: напряжение 330 В, ток 45 А, мощность 10 кВт. Структурная схема и.п. представлена на рис. 1. Управление группой силовых блоков осуществляется блоком управления. Блок коммутации обеспечивает последовательно-параллельное соединение выходов силовых блоков.
Для управления силовыми блоками служат оптические каналы 1—3. Канал 1 используется для синхронного формирования биполярных импульсов и задания требуемого уровня мощности.
Он состоит из оптических трактов, которые соединяют блок управления непосредственно с каждым силовым блоком.
Равномерное распределение мощности между силовыми блоками осуществляется следующим образом. Первый (ведущий) силовой блок получает от блока управления сигнал, определяющий заданный уровень тока, напряжения или мощности в зависимости от выбранного оператором режима стабилизации.
Блок управления отслеживает выходную мощность ведущего силового блока через оптический канал обратной связи 2 и задает для стабилизации такой же уровень мощности всем остальным силовым блокам через канал 1. Таким образом, все силовые блоки, кроме первого (ведущего), постоянно работают в режиме стабилизации мощности, ориентируясь на выходную мощность ведущего блока, что приводит к равномерному распределению нагрузки.
Оптический канал 3 используется для внутреннего обмена данными по протоколу ЯТИ МоёВш на скорости 500 кБод. В качестве сервера выступает блок управления, а все силовые блоки являются клиентами. Протокол передачи расширен введением дополнительных нестандартных функций, реализующих алгоритм автоматической инициализации сетевых адресов клиентов и минимизирующих количество запросов сервер-клиент.
СИЛОВОЙ БЛОК
На рис. 2 представлена структурная схема силового блока источника питания.
Силовой блок питается от трехфазной сети переменного тока. На его входе размещен выпрямитель, включающий в себя трехфазный выпрямительный мост, ХС-фильтр и схему первоначальной зарядки емкостей, которая работает в режиме широтно-импульсной модуляции, ограничивая
Рис. 3. Выходной формирователь импульсов.
величину зарядного тока при включении и.п. После зарядки входных емкостей блок готов к работе. С выпрямителя постоянное напряжение поступает в резонансный инвертор, где преобразуется в переменное напряжение частотой до 60 кГц. Инвертор построен по мостовой резонансной схеме с нагрузкой в виде последовательного резонансного контура, что ограничивает максимальный ток и снижает динамические потери в силовых элементах. Трансформатор Тр обеспечивает гальваническую развязку до 3 кВ, что позволяет соединять силовые блоки между собой произвольным образом.
Переменное напряжение с трансформатора поступает в высокочастотный выпрямитель, где выпрямляется и сглаживается фильтром, после чего постоянный ток преобразуется выходным формирователем импульсов в импульсное биполярное напряжение.
Контроллер силового блока формирует управляющие сигналы 1, 2 для схемы первоначальной зарядки и резонансного инвертора, а также транслирует поступающие в выходной формирователь импульсов из блока управления сигналы управления 3, обменивается данными с блоком управления и осуществляет непрерывную диагностику всех силовых элементов. Для отслеживания и стабилизации выходных параметров используется плата управления, которая преобразует аналоговые сигналы 5 с датчиков выходного формирователя импульсов в цифровые и получает задающие сигналы в цифровой форме от контроллера по каналу 4.
Выходной формирователь импульсов построен на основе полевых транзисторов. Его электрическая схема приведена на рис. 3.
Выходной формирователь импульсов позволяет получать на выходе среднечастотные импульсы положительной и отрицательной полярности. На рис. 4 приведены эпюры токов и напряжений, поясняющие принцип его работы.
Период формирования импульсов делится на три временных интервала. В интервале [/0, t1] транзистор Т открыт, и через цепь Тр(Г)—Д10— Тр(ГГ)—Т1—Ь1—С1 в нагрузку Ян течет ток
Iн « ис /Лн. Напряжение на выходе формирователя в этот период в установившемся состоянии практически равно напряжению на конденсаторе Сх: ин1 « ис. Большая индуктивность намагничивания трансформатора Тр стабилизирует выходной ток. Для ограничения напряжения при уменьшении проводимости нагрузки используется диод Д9, через который замыкается часть тока трансформатора Тр.
Следующий интервал начинается в момент времени tl. Транзисторы Т2 и Т3 открываются синхронно, и напряжение конденсатора С прикла-
Напряжение нагрузки ин
Ток нагрузки
Ток первичной
обмотки
трансформатора
Управление транзистором Т
Управление транзистором Т2
Цн2 0
ин1
Цн3
^р3 Гтр2 Гтр1
0 0 0
^ t\ ^ ^
Рис. 4. Эпюры напряжения и тока выходного формирователя импульсов.
н
н
н
тР
Напряжение
О ^ ?2 Ц ?4 % % ?8 *9 *10 *11*12 *
Рис. 5. Эпюры тока и напряжения, поясняющие работу системы дугоподавления.
дывается к первичной обмотке трансформатора Тр. При это
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.