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1、中 南 民 族 大 学硕 士 学 位 论 文磁 控 溅 射 高 频 脉 冲 （ AK） 电 源 的 研 制姓 名 ： 刘 亚 东申 请 学 位 级 别 ： 硕 士专 业 ： 等 离 子 体 物 理指 导 教 师 ： 孙 奉 娄20080501K中 南 民 族 大 学 硕 士 学 位 论 文摘 要根 据 调 研 和 文 献 ， 对 不 同 的 溅 射 技 术 进 行 了 比 较 ， 针 对 脉 冲 磁 控 溅 射 （ PulseMegnetron Sputtering（ PMS） ） 的 特 点 及 受 限 于 电 源 技 术 的 瓶 颈 ， 提 出 了 A2 （ ActiveArc Kille
2、r） 电 源 指 标 ： 输 出 频 率 最 高 达 300kHz， 负 向 电 压 在 0 -500V 可 调 ， 负向 最 大 峰 值 电 流 达 2A， 正 向 电 压 在 0 100V 可调，正向最大峰值电流达 1A， 负向 占 空 比 10 60 范 围 可 调 的 双 向 脉 冲 电 源 。为 了 实 现 电 源 指 标 ， 分 析 了 拟 设 计 电 源 的 难 点 ： 主 要 是 受 电 力 电 子 器 件 的 限制 ， 电 压 、 电 流 和 频 率 同 时 达 到 所 需 水 平的电 力 电 子 器 件 目 前 在 国 内 无 法 找 到 ，即 使 找 到 了 成 本 也
3、是 相 当 高 。 因 此 ， 本 文从结 构 上 入 手 ， 提 出 了 整 体 的 电 源 解 决方 案 ， 它 由 两 个 独 立 的 DC/DC 变 换 （ 分 别 用 于 调 节 正 、 负 向 电 压 ）、 一 个 斩 波 系统 （ 用 于 形 成 正 向 脉 冲 ） 和 一 个 逆 变 倍 频系统 （ 用 于 形 成 负 向 脉 冲 ） 构 成 。 逆 变倍 频 系 统 及 其 与 斩 波 系 统 的 配 合 是 核 心 问题， 方 案 在 一 定 程 度 上 突 破 了 电 力 电 子器 件 的 限 制 ， 为 溅 射 电 源 设 计 提 供 了 新 的 方 案 。根 据 总
4、体 方 案 ， 详 细 论 述 了 主 电 路 的 拓 扑 选 择 、 功 率 器 件 的 选 择 、 磁 性 器 件的 设 计 、 缓 冲 电 路 的 选 择 、 控 制 电 路 和 驱动电 路 的 设 计 。 在 比 较 了 各 种 拓 扑 优 缺点 之 后 ， 根 据 电 源 指 标 要 求 ， 选 择 了 全 桥 电 路 作 为 负 向 调 压 系 统 的 DC/DC 变换拓扑 ， 正 激 电 路 作 为 正 向 调 压 系 统 的 DC/DC 变 换 拓 扑 ， 逆 变 倍 频 系 统 也 采 用 全 桥 逆变 ， 副 边 采 用 可 控 整 流 。 由 于 对 频 率 有 较 高
5、要 求 ， 功 率 开 关 管 全 部 采 用 功 率MOSFET。讨论了中高频下 Miller 效 应 对 功 率 开 关 管 驱 动 的 影 响 及 其 解 决 方 案 ，还 讨 论 了 缓 冲 电 路 的 作 用 及 参 数 选 择 。本 文 还 从 工 程 经 验 上 详 细 描 述 了 电 源 调 试 中 出 现 的 问 题 和 如 何 解 决 这 些 问 题的 详 细 过 程 。 通 过 示 波 器 检 测 驱 动 信 号 实 时 波 形 ， 验 证 了 Miller 效 应 的 影 响 。 通过 检 测 负 载 电 压 和 电 流 波 形 、 电 源 在 功 能 上 达 到 了
6、设 计 指 标 。实 际 用 于 磁 控 溅 射 实 验 ， 与 RF、 DC 溅射进行比较，验证了脉冲溅射的优势和 电 源 的 实 用 性 ， 此 电 源 可 作 为 实 验 室 磁 控 溅 射 试 验 电 源 。关键词：脉冲磁控溅射；高频脉冲电源；逆变倍频；Miller 效 应I磁 控 溅 射 高 频 脉 冲 （ A2K） 电 源 的 研 制AbstractOn the base of reading many literatures and investigation, several differentsputtering technologies were compared. Aim
7、ed at the specialties of Pulse MagnetronSputtering (PMS) Technology and the choke point of Power Supply Technology, therequirements of the power supply parameters were proposed. The detail parameters arethat the frequency is up to 300kHz, the negative voltage can be varied between 0V and-500V, the n
8、egative peak current can be reached 2 Amperes, the plus voltage can bevaried between 0V and 100V, the plus peak current can be reached 1 Ampere, thenegative Duty Ratio can be varied between 10 and 60 .In order to implement the requirements of the power supply parameters, thedifficulties of the power
9、 supply which would be designed was analyzed: As a result oflimitation of power electronics component, the component that the voltage value,current value and the frequency response meet the requirements is hardly found andexpensive. Therefore, starting from topology, the whole solution for the power
10、 supplywas proposed. The whole solution was that the power supply was composed of twoindependent DC/DC converters (used for regulating plus voltage and negative voltage,respectively), one chopper (used for forming plus pulse), and an invertfrequency-doubled system (used for forming negative pulse).
11、The core is the matchingof invert frequency doubling system and the chopper. The problems of powerelectronics component was solved to some extent, thereby it made achieving powersupply parameter index possible.According to the overall solution, a detailed discussion of choosing topology formain circ
12、uit, choice of power device, design of magnetic device, choice of snubbercircuit, design of control circuit and design of driving circuit. After comparing the meritand the disadvantage of all kinds of topologies, as power supply parameters indexrequired, the full-bridge topology and the forward topo
13、logy was chosen used fornegative and plus voltage regulation, respectively. The full-bridge topology was alsochosen used for invert frequency doubling system, but the second windings currentwould be rectified by diode and Power MOSFET, which can block short circuit whenthe plus pulse was turned on.
14、Owing to the circuit works in high frequency, the PowerMOSFET was chosen as power switch. The influence of Miller effect to driving signaland the solution were described. The function of the snubber circuit and the choice of itsparameters were also discussed.The problems and the detailed process of
15、solving these problems in debugging thepower supply were described on engineering experience. Real-time waveforms weretested by oscilloscope, and the influence of Miller Effect was verified. By means ofdetecting the load voltage and current waveform, the design indexes of power supplywere achieved f
16、unctionally, and the power supply can be used for do some experimentII中 南 民 族 大 学 硕 士 学 位 论 文on magnetron sputtering in laboratory.Applied in Magnetron Sputtering experiment and compared with RF and DCMagnetron Sputtering, the A2K Power Supply practicality and the advantage of PMSwere verified. Therefore, this Power Supply can be used in Magnetron Sputteringexperiment in laboratory.Key words: Pulsed Magnetron Sputtering; High Frequency Pulsed Power Supply;Inve
