一種計算機自動控制的高功率脈沖磁控濺射設備及工藝，屬于材料表面工程領域。該設備采用計算機自動控制系統對充氣系統、真空系統和電源系統進行控制，高功率脈沖電源控制單元對自建立放電參數模型模塊、自學習沉積速率模型模塊、峰值電流PID自適應模塊和沉積速率PID自適應模塊進行控制，配置一體化顯示器，將工藝參數通過顯示器設定并顯示。全套工藝過程實現計算機自動控制；計算機控制設備根據規定工藝參數范圍自動獲得放電參數數學模型，建立放電參數與沉積速率的關系；通過自學習沉積速率模型、自建立放電參數模型和PID自適應控制模塊提供可控、穩定的濺射工藝參數控制沉積速率。有效提高工業化鍍膜生產效率、工藝穩定性與可控性，降低生產成本。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種計算機自動控制的高功率脈沖磁控濺射設備及工藝，屬于材料表面工程領域。
技術介紹
磁控濺射技術是一項具有高速、低溫、低損傷、低工作電壓，以及環境友好等優點的物理氣相沉積技術，通過在靶材表面施加磁場約束電子運動，束縛和延長電子運動軌跡，有效利用電子能量提高電子對工作氣體電離的幾率，被電離的工作氣體粒子在電場作用下轟擊靶材，濺射出靶材粒子沉積在工件表面，完成濺射沉積過程。磁控濺射技術被廣泛應用于微電子、光學薄膜及材料表面改性等領域，大大促進了相關產業的發展。但是，由于磁控 濺射靶材粒子離化率較低，一般只有廣5 %，導致磁控濺射沉積覆層質量偏低、與基體結合 性能差。等離子體離化率的提高可以增強等離子體的轟擊與繞射能力，增加沉積過程的穩定性和可控性，改善覆層質量與結合力，因此提高等離子體離化率是表面覆層技術的重要需求。1996 年，Bugaev 在〈〈Vacuum〉〉上發表論文 Investigation of a high-current pulsedmagnetron discharge initiated in the low-pressure diffuse arc plasma,將高功率脈沖施加于燈絲輔助空心磁控陰極，放電電壓達800 V時，獲得高達450 A的放電電流，實現了 Cu膜的高速沉積,成為高功率脈沖磁控派射的初期設計。2001年,Kouznetsov等申請美國專利(US6296742)Method and apparatus for magnetically enhanced sputtering ,實現在常規磁控濺射靶上，實現峰值功率達MW級的脈沖放電，獲得Cu離化率高達70 %的等離子體，由此提出高功率脈沖磁控派射(High Power Pulsed Magnetron Sputtering)技術的完整概念。在放電過程中高能量的脈沖作用使磁控濺射靶周圍的電子密度高達IO19 m_3，高密度電子增加濺射原子與高能電子的電離碰撞幾率，將等離子體離化率由廣5 %提高到70 %以上。近年來高功率脈沖磁控濺射技術得到了長足的進步，在高功率脈沖磁控濺射的基礎上發展出微脈沖位形可調的高功率調制脈沖磁控濺射技術，引入多種可控參數，進一步提高高功率脈沖磁控濺射的工藝穩定性和可控性。以放電參數為核心的高功率脈沖磁控濺射參數對沉積速率具有顯著影響，調整合適的放電參數是控制沉積速率的主要途徑。高功率脈沖磁控濺射覆層工藝由于存在自濺射現象，導致靶材粒子損失引起沉積速率下降，沉積速率只有直流磁控濺射沉積速率的25 35%。因此有效地控制沉積速率成為工業化高功率脈沖磁控濺射沉積生產中有待解決的難題。早在 1985 年，Boys 等在美國專利(4500408) Apparatus for and method of controllingsputtering coating中，使用PID反饋控制電磁磁控祀的磁場強度和電場電壓等參數，實現對沉積速率的控制。1999年，Sproul等申請的美國專利(US5942089) Method forsputtering compounds on a substrate,通過自動調節反應派射沉積薄膜過程中的氣體流量控制濺射沉積速率。2010年，孫強等申請的中國專利(CN201733219U)基于DSP的數字化磁控濺射電源控制系統，使用DSP芯片實現對靶電流的閉環控制，使輸出濺射電流恒定。2011年，夏原等申請的中國專利(CN102108492A)—種基于高功率脈沖磁控濺射的離化率可控鍍膜設備，預置直流電壓耦合入直流磁控濺射過程，降低了脈沖電流遲滯時間，獲得穩定的離化率以保證薄膜沉積速率。近年來，關于磁控濺射的相關專利專利技術從不同工藝參數出發對磁控濺射工藝自動化控制方式，但是高功率脈沖磁控濺射全工藝過程的參數控制，特別是關鍵參數——沉積速率的計算機自動控制尚未能實現。在工業化高功率脈沖磁控濺射覆層生產過程中，只能通過沉積速率檢測設備檢測鍍膜的沉積速率，手工反復調整放電參數以獲得滿意的沉積速率，該過程反應時間較長且調整方式因人而異，嚴重影響沉積覆層的結構與性能、工藝的穩定性和可重復性，進而限制大規模工業化生產。
技術實現思路
針對現有高功率脈沖磁控濺射技術中存在的工藝可控性不足，即無法在工業化高功率脈沖磁控濺射覆層生產過程中實現自動化控制，只能通過沉積速率檢測設備監測覆層的沉積速率，需要手工反復調整放電參數以得到滿意的沉積速率，這一過程反應時間較長且調整方式因人而異，嚴重影響沉積薄膜的結構與性能、工藝的穩定性和可重復性。本專利技術提供一種計算機自動控制的高功率脈沖磁控濺射設備及工藝，可實現計算機根據規定工藝 參數范圍自動獲得電源放電參數并建立數學模型，進而通過自學習沉積速率模型、自建立放電參數模型和PID自適應控制模塊，實現對沉積速率的計算機自動控制。本專利技術采用的技術方案是一種計算機自動控制的高功率脈沖磁控濺射設備，它包括一個磁控濺射靶系統、充氣系統、真空系統、電源系統和工件臺系統，它還包括一個計算機自動控制系統，計算機自動控制系統包含氣壓反饋控制單元、沉積速率監控單元、溫度監控單元、放電參數監控單元、高功率脈沖電源控制單元和氣體流量反饋控制單元；所述放電參數監控單元和高功率脈沖電源控制單元通過接口與所述電源系統進行電連接，所述氣壓反饋控制單元通過接口與所述真空系統進行電連接，所述氣體流量反饋控制單元通過接口與所述充氣系統進行電連接，所述沉積速率監控單元和溫度監控單元分別通過接口與工件附近安裝的石英晶體振蕩器和熱電偶進行電連接；所述高功率脈沖電源控制單元通過接口與自建立放電參數模型模塊、自學習沉積速率模型模塊、峰值電流PID自適應模塊和沉積速率PID自適應模塊進行電連接；所述計算機自動控制系統配置一體化可視顯示器，將高功率脈沖磁控濺射工藝過程中，相關參數通過顯示器設定并實時顯示。所述電源系統包括一個與磁控濺射靶系統相連的高功率脈沖電源和一個與工件轉臺相連的偏壓電源，高功率脈沖電源輸出的充電電壓為(Γ-700 V、峰值電流值為350 A、峰值功率為O. 32 MW、脈沖頻率5 500 Hz、脈沖寬度50 3000 μ S、占空比10 50% ;偏壓電源的電壓為(Γ-200 V、脈沖頻率5 500 kHz、占空比50 100 %。所述計算機自動控制系統中輸入的沉積速率R為廣500 nm/min、充電電壓值Vc為-10(Γ-700 V、脈沖持續時間1。 和脈沖間隔時間1 為廣20 μ S0所述的計算機自動控制的高功率脈沖磁控濺射工藝采用下列步驟 第一步工件準備 將待沉積覆層工件進行清理，將工件浸泡在清洗劑中進行清洗5 20 min，使用干燥氣體將工件吹干，待沉積覆層； 第二步計算機自動控制高功率脈沖磁控濺射沉積a)輸入濺射沉積工藝參數 在計算機上輸入氣壓參數、時間參數、氣體流量參數、溫度參數、沉積速率R、充電電壓值V。、脈沖持續時間\ 和脈沖間隔時間Tm范圍； b)裝件、抽真空、除氣 裝件，所述的真空系統抽真空至設定本底真空值10-^10-6 Pa，向真空室內注入濺射用惰性氣體； c)預濺射清洗工件和預濺射清洗磁控濺射靶 自動調整真空室氣壓到設定值O. 5^7本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種計算機自動控制的高功率脈沖磁控濺射設備，它包括磁控濺射靶系統（1）、充氣系統（2）、真空系統（3）、電源系統（4）和工件臺系統（5），其特征在于：它還包括一個計算機自動控制系統（6），計算機自動控制系統（6）包含氣壓反饋控制單元（11）、沉積速率監控單元（12）、溫度監控單元（13）、放電參數監控單元（14）、高功率脈沖電源控制單元（15）和氣體流量反饋控制單元（16）；所述放電參數監控單元（14）和高功率脈沖電源控制單元（15）通過接口與所述電源系統（4）進行電連接，所述氣壓反饋控制單元（11）通過接口與所述真空系統（3）進行電連接，所述氣體流量反饋控制單元（16）通過接口與所述充氣系統（2）進行電連接，所述沉積速率監控單元（12）和溫度監控單元（13）分別通過接口與工件附近安裝的石英晶體振蕩器（9）和熱電偶（10）進行電連接；所述高功率脈沖電源控制單元（15）通過接口與自建立放電參數模型模塊（17）、自學習沉積速率模型模塊（18）、峰值電流PID自適應模塊（19）和沉積速率PID自適應模塊（20）進行電連接；所述計算機自動控制系統（6）配置一體化可視顯示器，將高功率脈沖磁控濺射工藝過程中，相關參數通過顯示器設定并實時顯示。...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：雷明凱，朱小鵬，吳彼，吳志立，孟笛，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：發明
國別省市：
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