硕士研究生开题报告课件

闭合场非平衡磁控溅射

电源控制器研究背景简介与课题相关的技术背景课题任务及内容课题难点及解决思路进度安排主要内容介绍:磁控溅射技术研究始于20世纪70年代，其中闭合场非平衡磁控溅射离子镀以其沉积的膜层均匀，致密，结合力强，其镀层易按要求设计，快速，低温，低成本，无污染等特性，而备受重视，并在近十年得到飞速发展。英国Teer公司生产的UDP系列离子镀设备就是采用这一新技术研发成功的磁控溅射镀膜系统，它代表了磁控溅射镀膜技术的国际先进水平。目前，我国在这一领域尚处于跟踪阶段，通过技术合作，使整体设备制造本土化，技术开发自主化，有着十分重要的意义。该技术对工艺的要求十分严格，其关键技术之一是为装置和工艺服务的供电电源及相应的自动化技术。参照Teer公司UDP工艺，本课题计划采用87C196KC单片机或TMS320C2812型DSP作为主控芯片，以UCC3895作为电源控制芯片，研究磁控溅射离子镀设备供电电源的控制系统。一.背景简介偏置电源靶电源镀膜室磁控管磁控靶阳极磁控靶阴极

充气系统真空系统基体图-1磁控溅射系统结构示意图2．UDP对靶电源和偏置电源的要求在磁控溅射时，靶极上加负压，当靶极电压达到某一值时，气体开始起辉，电压降低，电流突然升高，并在阴阳极间产生辉光放电。气体放电地伏安特性曲线如图2所示。当阴极电压增加到图中的A点时，气体被点燃。BC段为正常辉光放电区，此区段虽放电稳定，但电流密度较小，无法实现磁控溅射离子镀膜的工艺要求。CD段为异常辉光放电区，这是一个异常的、不稳定的和强电流的放电区，具有很高的电流密度和功率密度，是磁控溅射离子镀膜工艺所需要的放电区。DE段为弧光放电段，此段工作电流极大，阴极离子溅射严重，是在异常辉光放电区工作的工艺所不允许的。图-2气体放电的伏安特性曲线根据UDP生产工艺的要求，偏置电源应提供高频脉冲电压，其幅值和脉宽应随着工艺流程而按一定规律变化。图-4为偏置电源主电路所采用的一种拓扑方案。其主要技术参数有：全桥电路开关频率：100KHz；输出脉冲幅度：50V—500V，可控；输出脉冲宽度：200ns—2000ns,可控；输出脉冲频率：250KHz；电流：0—15A。

514V图-4偏置电源主电路拓扑1．任务

本课题的任务是：围绕UDP工艺对靶电源和偏置电源的要求，以图-3、图-4所示的电源主电路为拓扑，采用单片机或DSP为主控芯片，以UCC3895作为电源控制芯片，采用适当的控制策略和算法，研究磁控溅射离子镀设备供电电源的控制系统。

三．课题内容2．方案⑴

控制策略和算法

全桥PWM控制DC/DC变换器的控制模式主要有电压模式、电流模式，电流控制模式又有平均电流模式和峰值电流模式等几种。 电压模式控制方法简单，容易实现，但动态性能和稳态性能都较差，只适用于一些要求不高的电压型电源。

图-5靶电源控制系统框图Ir(s)If(s)E(S)VcG1(S)K1ViG2(S)Io(s)H(S)靶电源的参考输入是根据工艺随时间变化的，而且为控制镀膜质量和厚度，输出电流要有足够的稳态精度，针对工艺对靶电源的这些要求，结合主电路拓扑图-3，其控制策略采用单电流环平均电流模式控制，如图-5所示。xx针对工艺对偏置电源的要求，结合主电路拓扑图-4，其控制策略如图-6所示。该电源分为两部分：全桥逆变整流部分，采用电压外环、峰值电流模式内环的双环控制，电压给定Ur由工艺曲线事先确定，通过上位机给出，以决定偏置电源的脉冲幅值；斩波逆变部分，采用由独立硬件生成或由MCU编程输出PWM波进行控制，用于在负载上得到脉宽可调的双向脉冲。UfUo占空比给定VRUrPWMRC滤波电流内环全桥逆变反馈锯齿波Uo1图-6偏置电源控制系统框图x⑵功能分配由于开关器件工作于100KHz以上的高频，而目前适合使用的MCU的时钟频率有限，因此，整个控制系统全数字化还不太现实，故拟采用MCU和模拟控制电路相结合的设计思想，高频开关器件的PWM控制信号由独立模拟器件产生，短路、过流、过压、欠压、起弧、过热时的快速保护功能亦由模拟电路直接完成，MCU则主要完成与上位机通信、控制器的工艺参数给定、调节与校正、工作状态的显示等任务。

②驱动与隔离

UCC3895的最大输出电流只有100mA，而当采用APT8024LFLL型MOSFET,工作频率为100KHz时，峰值电流达2.15A，故必须加驱动级。目前，分立元件驱动级逐渐被专用驱动芯片如IDXX414、IR2110等所取代，这些专用驱动芯片性能优良，使用方便，极大地简化了电路的设计。隔离可有下述三种方式，课题中需要予以比较,选出最佳驱动隔离方案.：a.光耦隔离光耦隔离位于PWM芯片和驱动级之间，它具有占空比任意可调、隔离耐压高、对电压性噪声抑制能力强等优点，同时，它又存在需要若干独立供电电源、传输延迟较大、开关速度较慢等不足之处；b.变压器隔离变压器位于驱动级和开关器件之间，它具有信号传输延迟时间很小、变压器副边无须再提供电源、有很好的抗干扰能力等优点，其缺点是：所传输信号的占空比不宜太大也不宜太小、因寄生参数影响，高性能的变压器制作较困难等；c.采用浮地驱动芯片+缓冲级美国IR公司生产的MOS栅极驱动器系列产品把驱动一高压侧和一低压侧MOSFET或IGBT所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内。它依据自举原理，外接很少的分立元件，只需提供一个电源就能驱动全桥的四个MOS管工作。其中，IR2181(4)两通道隔离电压达600V，峰值输出电流最大1.4A/1.8A，因此，将它应用于磁控溅射电源的驱动时，其后需加一级缓冲电路，缓冲电路采用MICROCHIP公司的TC4422驱动芯片，其峰值输出电流高达9A，可满足大电流场合的驱动需要。

③检测电路 课题中对检测电路的要求是：响应速度要足够快，测量精度足够高，线性良好。电压检测应在一个振荡周期内（5us）完成，采用可调基准芯片TL431采样，其基准电压为2.5V,工作电流范围为1~100mA,采用线性光耦PC817进行隔离，其传输延迟3/4us,隔离电压5000V。电流检测应有更快的响应速度（1us），以便在电流模式控制和过流、短路时在规定的时间内及时动作，可采用电流互感器如美国GBInternational公司的CST6063_G,其最大通流能力为20A，变比1/100，或采用霍尔电流传感器如LEM公司的LA25-NP，其额定通流能力为25A，变比1/1000。通过对以上两款MCU的资源及性能的分析比较，结合UDP磁控磁控溅射电源的控制要求，所设计控制系统硬件总体方案框图如图-7所示。由于87C196KC单片机指令周期为125ns,A/D转换时间为21us,故如采用该型单片机，则控制算法完全由模拟控制电路来实现，单片机只起通信、给定、监控、显示，而不参与控制算法的实现。TMS320C2812型DSP指令周期为40ns,A/D转换时间为80ns(时钟频率25MHz)，故如采用该型DSP，则MCU除能完成单片机的功能外，还可部分参与控制策略的数字实现，使硬件设计得以简化，同时提高了系统的稳定性、抗干扰能力和系统的灵活性，但成本较高，设计难度稍大。课题中需对两种方案进行比较论证。MCUA/D输出38953895驱动驱动驱动检测检测检测三相整流三相整流偏全置桥电逆源变靶全电源桥整流滤波整流滤波通信接口上位机显示报警/保护D/AD/A全桥逆变图-7控制系统总体方案框图⑷软件设计 ①通信程序完成与上位机的通信；②监控程序接收各传感器信号，对有关信息进行加工处理显示或执行有关命令；③控制算法数字实现程序（若采用DSP作主控芯片）

靶电源电流控制环的给定、PID调节和校正偏置电源控制双环的电压环给定、PI调节偏置电源斩波电路的双向PWM波生成等。

2．

靶电源起弧是十分有害的，如何快速准确地测弧和灭弧也是设计的一个难点；为此，在选取靶电源的控制策略时应特别强调靶电源的电流控制能力和响应速度，另外，