УДК 621.314.061

В.П. Кабан, канд. техн. наук, В.Ю. Матвеев, канд. техн. наук

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ДЛЯ МАГНЕТРОННЫХ СИСТЕМ ИОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ

        Среди современных способов нанесения тонкопленочных покрытий одним из самых прогрессивных является метод магнетронного распыления в вакууме. Его преимущества по сравнению с другими методами ионно-плазменного нанесения металлов и сплавов состоят в высокой производительности процесса, малой инерционности, низком уровне напряжения разряда и давления рабочего газа.
        Принцип действия магнетронной распылительной системы (МРС) основан на применении замкнутого магнитного поля у поверхности мишени одновременно с аномальным тлеющим разрядом, возникающим при подаче постоянного напряжения между мишенью и анодом. Под действием электрического и магнитного полей электроны, эмитированные с катода, совершают сложное циклоидальное движение у поверхности мишени до тех пор, пока не произойдет несколько ионизирующих столкновений с атомами рабочего газа. Интенсивное образование ионов в свою очередь приводит к увеличению количества ионов, которые бомбардируют мишень и росту скорости распыления. Скорость распыления практически линейно зависит от приложенной мощности.
        Одной из основных характеристик разряда является его вольт-амперная характеристика (ВАХ). Она зависит от рабочего давления, индукции магнитного поля, материала мишени и ее формы.Так, с уменьшением давления ВАХ сдвигаются в область больших рабочих напряжений.
        Образование выемки в плоской мишени приводит к сдвигу ВАХ в область меньших рабочих напряжений из-за улучшения условий локализации плазмы и перехода разряда в область более сильного магнитного поля.
        Необходимая скорость осаждения пленки может поддерживаться за счет постоянства подводимой мощности разряда. В этом случае контроль толщины наносимого покрытия осуществляется наиболее простым методом, а именно продолжительностью процесса осаждения.
        Системы питания МРС во многом определяют эффективность всего процесса нанесения покрытия. Основные требования к системам питания МРС состоят в следующем: они должны обеспечивать достаточно большие подводимые к магнетрону мощности (как правило, от 2 до 40 кВт), возможность плавной регулировки напряжения в диапазоне от 0 до 1 кВ, работу в режиме стабилизации тока или мощности разряда, устойчивость к высоковольтным высокочастотным колебаниям, генерируемых плазмой, а также колебаниям тока, возникающим вследствие образования сильноточных дуг на поверхности катода или между катодом и анодом. Дуга на поверхности мишени ухудшает качество наносимого покрытия и приводит к нестабильности получения пленок. В связи с этими обстоятельствами в источниках питания необходимо предусматривать специальные меры, позволяющие защитить сам источник и процесс нанесения покрытия от дугообразования.
        Большинство современных источников питания содержат повышающий трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к выпрямителю, после выпрямителя подключают специальный фильтр, позволяющий, с одной стороны, сгладить пульсации выпрямленного тока, а с другой – защитить сам источник питания от высокочастотных колебаний плазмы магнетрона. Регулирование тока происходит за счет изменения фазы включения встречно-параллельно соединенных тиристоров на входе первичной обмотки трансформатора, или тиристорного выпрямителя, подключенного к вторичным его обмоткам.
        Стабилизация тока или мощности происходит за счет обратной связи по заданному параметру. В большинстве случаев используют режим стабилизации тока, который позволяет при возникновении дуги на поверхности мишени избежать негативных последствий за счет автоматического уменьшения ее мощности. Действительно, дугообразование сопровождается увеличением тока и уменьшением напряжения разряда. Если быстродействие источника питания позволяет удержать ток в заданных пределах, то с уменьшением напряжения мощность дуги падает, и она самоликвидируется. В режиме стабилизации мощности уменьшение напряжения при возникновении дуги воспринимается системой управления как уменьшение заданной мощности, поэтому реакция системы управления состоит в автоматическом увеличении тока и напряжения для поддержания уровня заданной мощности. В этом случае мощность дуги растет, что может привести к необратимым последствиям. В то же время со стороны удобства контроля толщины наносимого покрытия, как отмечалось, режим стабилизации мощности более предпочтителен.
        В связи с указанными особенностями, в Институте электродинамики АН Украины разработана система питания МРУ, позволяющая вести процесс напыления в режиме стабилизации тока и в то же время контролировать заданную мощность с допустимой точностью. Система управления источником питания построена следующим образом.
        Если источник питания обеспечивает стабилизацию тока за счет автоматического регулирования с использованием цепей обратной связи, то он снабжается дополнительным датчиком мощности и устройством, позволяющим менять уставку тока при отклонении мощности разряда от заданного уровня, причем коррекция мощности происходит дискретно на интервалах, обеспечивающих заданную точность ее поддержания. Так, при использовании тиристорного регулятора на входе трансформатора стабилизация тока при возмущениях со стороны питающей сети и со стороны нагрузки происходит за счет воздействия на регулятор. Заданный уровень тока сравнивается с реальным его значением на выходном шунте выпрямителя, и в зависимости от их разницы подается сигнал на увеличение или уменьшение угла открывания тиристоров. Заданному уровню тока соответствует определенная мощность разряда. Она измеряется, и в случае отклонения от заданной величины подается сигнал на соответствующее изменение уставки тока через определенные интервалы времени, причем длительность интервалов в начале цикла устанавливают, исходя из требуемой точности нанесения покрытия и в процессе работы изменяют обратно пропорционально величине уставки тока.
        Таким образом, отклонения мощности от заданного уровня, которые происходят за счет колебаний питающего напряжения, автоматически отслеживаются стабилизатором тока, а изменения, вызванные износом мишени, корректируются за счет регулирования величины уставки тока. Учитывая, что процесс выработки мишени происходит, как правило, очень медленно, нет необходимости в мгновенной стабилизации мощности, достаточно ее корректировать через определенные интервалы времени, что позволяет вести контроль толщины наносимого покрытия по продолжительности процесса.