磁控電源

題目：

1. 磁控濺射的發展歷程

1852年，Grove 首次描述濺射這種物理現象。經過了一個多世紀的發展，磁控濺射技術目前已成爲應用範圍最廣、發展速度最快的真空鍍膜技術之一，被廣泛和成功地應用在許多方面，尤其是電子集成、光學薄膜、表面防護等方面的表面薄膜製備領域。與化學電鍍技術相比，磁控濺射技術環保低碳、節能高效，根除了化學電鍍三廢汙染，解決了可持續發展與環境保護之間的矛盾。這在提倡「低碳」、節能減排的當今社會顯得尤爲重要。

磁控濺射技術是在基本的二極濺射系統的基礎上發展而來的。早期的二極濺射技術，如直流（射頻）濺射技術是利用輝光放電產生的離子轟擊靶材來實現薄膜沉積的，但這種濺射技術的等離子體離化率低，成膜速率不及真空蒸鍍，工作氣壓高，基片溫升明顯。爲了改善基本二級濺射系統的不足，在靶材的背面加上磁場，這便是最原始的磁控濺射技術。

磁控濺射的工作原理如圖1.1所示，在真空室中，電子在電場的作用下與氬原子氣體流發生碰撞，氬原子被電離出大量的氬離子和電子。氬離子加速轟擊陰極靶材，濺射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉積在基片上形成薄膜。二次電子受電場力作用加速飛向基片，在此過程中又受到磁場洛倫茲力的影響，被束縛在靠近靶面的等離子體區域內。該區域內等離子體密度很高，二次電子在磁場的作用下圍繞靶面做圓周運動，該運動路徑很長，在運動過程中電子又不斷撞擊氬原子使其電離出大量的氬離子來轟擊靶材，提高沉積速率。經過多次的碰撞後電子的能量逐漸消耗降低，擺脫磁力線的束縛，遠離靶材，並在電場的作用下最終沉積在基片上。此時電子的能量很低，傳遞給基片的能量很小，所以基片的溫升低。

磁控濺射技術於上世紀70年代出現了飛躍式發展，主要經歷了平衡磁控濺射、非平衡磁控濺射、反應濺射與共濺射、脈衝磁控濺射等幾個里程碑式的階段。如果是根據磁控濺射使用的電源種類來分，磁控濺射技術可分爲直流磁控濺射、中頻磁控濺射、射頻磁控濺射以及脈衝磁控濺射等幾種。其中，中頻磁控濺射既可直接使用金屬靶材，也可使用導電性的陶瓷靶材或導電較差的半導體靶材；既能直接濺射金屬塗層，也能勝任高質量的反應濺射。因此，中頻電源是目前大面積磁控濺射鍍膜生產線的首選配套電源。

1.2 中頻磁控濺射電源簡介

中頻電源的出現主要緣於直流電源反應濺射過程中的靶中毒和拉弧打火問題。拉弧打火併不僅僅表現在反應濺射上，金屬的直流濺射也可能出現該現象，導致塗層的表面形貌不夠緻密，嚴重影響了系統的穩定性和膜層質量。因此，單獨使用直流電源用於濺射沉積像金屬氧化物一類的化合物是有困難的，必須另闢蹊徑。上個世紀70年代，R.Cormia 領導的小組對低頻交流電源的反應磁控濺射性能進行了開拓性的研究並取得了一定成果。此後相當長的一段時間，雖然探索者不少，但低頻交流反應濺射沒有多少重大進展。直到1993年S.Schiller 等人將多年來對交流磁控濺射技術的開發成果公布，引起了工程技術界的普遍重視，中頻電源技術才開始得到真正的推廣應用。

根據介質層的介電常數和轟擊離子流的電流密度，介質層可被一個頻率相對較低（與射頻 13.56MHz 相比而言）的交流電壓不斷中和。如果介質層被不斷中和放了電，因電擊穿而引起的電弧也就同時被防止了。S.Schiller 等人綜合計算和實驗結果表明，既具有較好電弧防範效果又不影響沉積速率的對大多數絕緣層的放電頻率應該在 10k Hz 到 70k Hz 之間，這就是中頻電源頻率範圍的由來過程。Este 和 Westwood[11]在Al 靶的反應磁控濺射過程中研究了沉積速率與電源頻率之間的內在關係（功率恆定），實驗證明中頻

電源的兩個特點：濺射速率比射頻電源的高，金屬靶的濺射速率不弱於直流電源。但相比直流電源，中頻電源還有頻率和占空比（僅限方波輸出型）的調節功能，這兩個參數對鍍膜工藝也有重要影響。王軍生[13]等研究了電源工作模式對中頻磁控濺射沉積速率的影響，發現恆流模式下沉積速率穩定性最好，恆壓最差；氣壓變化時，恆流、恆功率工作模式有穩定沉積速率的作用。

該套設備用於生產電容器的金屬薄膜，主要構成有：真空系統、卷繞系統、蒸發系統等。工作原理：在真空條件下，一邊卷繞塑料薄膜，使薄膜緊貼冷卻滾筒；一邊把蒸發源加熱到所需溫度，使金屬氣體化，氣體化金屬（鋅或鋁）上升到冷卻滾筒與薄膜粘合，實現金屬化鍍膜。卷繞式真空蒸鍍機主要構成包括：真空槽箱、卷繞滾筒、蒸發源、蒸發源加熱系統、油留邊系統、靜電密著機構等組成。通過電加熱使金屬氣化，在冷薄膜表面靜電密著粘合，進行物理氣相沉積成膜，實現鍍膜功能。根據《稅則注釋》對品目84.19的商品描述，該設備的加熱冷卻功能雖然是必不可少的，但輔助於物理氣相沉積成膜，

解答：