论真空镀膜射频叠加直流偏压工艺

金诚明 黄乐 祝海生

摘要：VCT（Vacuum coating technology真空镀膜技术）是现阶段较为先进的材料合成及加工技术，系统经VC（Vacuum chamber真空室）、泵组、电源以及控制系统构成。VCT的电源是整个工艺的主要构成因子，VCT的电源性能会从根本影响镀膜工艺的流畅性和质量。目前RF辉光放电镀膜装置大多以RFPS（Radio Frequency power supply射频电源）为主，而经调整VC内环境去改变VC两侧偏压系数，具有较强的制约性。 为了从根本改善镀膜工艺，要设计出RF和DC（直流电源 powerDC）双系统，经调节DC的输出去改变VC两侧的负偏压系数，这也是现阶段业内所面对的主要课题。

Abstract： VCT （Vacuum coating technology） is a relatively advanced material synthesis and processing technology at this stage. The system is composed of VC （Vacuum chamber）， pumps， power supplies and control systems. The power supply of VCT is the main component of the whole process， and the power performance of VCT will fundamentally affect the fluency and quality of the coating process. Currently， most of the RF glow discharge electroplating film devices are based on RFPS （Radio Frequency power supply）， and the internal environment of the VC is adjusted to change the bias coefficient on both sides of the VC， which has a strong restriction. In order to fundamentally improve the coating process， it is necessary to design a dual system of RF and DC （powerDC）， and adjust the DC output to change the negative bias coefficient on both sides of the VC. This is also the main issue facing the industry at this stage.

關键词：真空镀膜;射频;直流偏压;工艺

Key words： vacuum coating;radio frequency;DC bias;process

中图分类号：TB43                                    文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）02-0020-02

0  引言

真空镀膜射频叠加直流偏压工艺可以使固体表层具有耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、防辐射、导电、导磁、绝缘等许多优于固体材料本身的优越性能，能够达到提高产品质量、延长产品寿命、节约能源和获得显著技术经济效益的作用。因此目前真空镀膜射频叠加直流偏压工艺可以被有效地应用于农用机械及汽车的内燃机与相关管材之中。

1  射频及直流双电源系统

1.1 系统的构成

双电源系统经RFPS、DC、impedance匹配网络AD—N3MHz～30MHz无线电波屏蔽网络组成，其能够输出3～30MHz无线电波，进而为VCT提供电能。

1.2 impedance匹配网络导电回路原理及参数计算

①首先，转换RFPSimpedance，使其和负载的impedance制衡，因此使功率完全传输至负载;②将RFPS和VC予以隔离处理，这样能够将RF能量传输至VC的基础上仍不影响真空室生成负自偏压，进而加速VCT过程。

RFPS的内阻为R0，RFPS的频率f，令Y0=1/2？仔·C0，Y1=1/2？仔f·C1，X0=2？仔f·L0，此研究依附于上述条件与导电回路原理图，以输出侧作为切入点，电源输出的等效impedance如下述公式：

因此，经改变电容量 C0能够调节RFPS等效输出impedance实部。在电源输出impedance和负载impedance制衡的状态下RFPS输出功率处于极值，这种状态下电源利用有效性交稿。

RF能量经impedance匹配网络输出至VC，在RF作用下，因为离、电子间质量的差异而产生偏差，一侧电极会累积电子，所以会产生负偏置现象，即VC自偏压生成的主要因素。此状态不仅需要VC具有特定的条件，同时要具备导电回路提供不影响其偏压产生的条件。电容量C1即可完成此功能，电容量具有隔断直流电位差的功能，负偏压不能通过电容量C1，所以屏蔽RFPS内阻对负偏压的影响，使VC内出现自偏压。

1.3 高频屏蔽网络导电回路原理及参数计算

3～30MHz无线电波屏蔽网络主要包括下述功能：①将RFPS的功率屏蔽，防止RF高能量影响DC;②将DC偏压传输至VC，VC中的负偏置会逐渐显著，深化碳离子在工件上的粘附度，这样利于后续工艺的开展。其与低通网络相近，根据实际情况依附于需要可采用两级、多级屏蔽网络。工作原理需通过直流等效导电回路和RF等效导电回路两个模型分析。依附于电容量具有通3～30MHz无线电波隔低频的特性，电感能够通低频且隔3～30MHz无线电波，DC供电环境下，DC和3～30MHz无线电波屏蔽网络导电回路。

DC连接至3～30MHz无线电波屏蔽网络后依然等效为DC，等效后输出电位差和既有DC电位差制衡，电源整体内阻变为R1+R2。其中R2即限流电阻。如果拟定VC为恒定的负载电阻Req，VC的偏压大小可近似为：

3～30MHz无线电波屏蔽网络RF等效导电回路，此导电回路内，RF_IN即RF能量输入端，RF_OUT即直流侧电源入口，在此基础上亦为RF能量的输出端。RF屏蔽网络主要作用是将RF输入的能量最大限度的进行屏蔽，进而弱化RF_OUT端的RF能量。

RF能量经3～30MHz无线电波屏蔽网络后，其输出端电位差的有效系数计算如下。

RF输入端，RF电位差有效系数为V1，RFPS频率为f;RF输出端RF电位差有效值为V2，频率依然是f。令Y2=1/2πf.C2，X1=2πf.L1。

K的取值主要包括下述两种情况：①在K？叟1的状态下，V2？叟V1，此时3～30MHz无线电波屏蔽网络没有屏蔽作用。②在0<K<1状态下，V2

通过上述发现，只有在（X1/Y2）>2状态下，3～30MHz无线电波屏蔽网络才开始具有屏蔽效果，若要深化屏蔽有效性，则需达到：（X1/Y2）>>2。换而言之，所选装置件参数要达到下述基本条件：（2？仔f）2L1C2>>2。

2  建模仿真

2.1 系统搭建

此次研究的仿真导电回路，RFPS经impedance匹配网络与VC进行连接，impedance匹配网络会出现RFPS-impedance和负载impedance拟合的情况，因此使RFPS的功率输出达到极值;DC经3～30MHz无线电波屏蔽网络连接到VC，3～30MHz无线电波屏蔽网络会将直流偏压能量传输至VC，同时屏蔽RF能量，防止3～30MHz无线电波能量影响DC，在此基础上可以避免RF能量无端浪费。

2.2 系统性能分析

2.2.1 impedance匹配网络仿真分析

因为VC等效模型内有半导体装置件，VC的等效电阻并非为单个电阻，VC两极板间等效电容量偏低。在RF电位差的正半周，D1导通，VC等效impedance为10Ω;RFPS负半周，D1中断，VC等效impedance20Ω。在一个周期中，VC的有效impedance为Req=1/2×10+1/2×20=15Ω，通过■明确，Co即486.2pF。隔直电容量C1impedance要尽可能小，笔者以10Ω为基础，又Y1=1/2πf.C1，可计算出电容量C1，为1592 pF。依附于■计算可得Lo为0.68μH。此次研究对两个impedance匹配网络分别实施仿真。

2.2.2 高频屏蔽网络性能仿真分析

RFPS频率f为10MHz，电感L为100μH，电容量C2为1000pF，带入（2？仔f）2L1C2>>2得：（2？仔f）2L1C2=394.8，满足远超过2的条件。3～30MHz无线电波屏蔽网络性能可经有、无3～30MHz无线电波屏蔽网络不同状态下对VC与偏压电源参数实施比较。无有3～30MHz无线电波屏蔽网络在差异化情况下VC电位差与流过DC的电流波形，-200V区域的类正弦波即VC两侧电位差。经对比不难得出，增加3～30MHz无线电波屏蔽网络后，VC两端的RF能量增幅较大，输出到VC的电位差峰峰值（RF含量）增大了176.3V-62.9V=113.4V，功率增大了238.82+15-231.8+15=219.6W，所以3～30MHz无线电波屏蔽网络的从根本深化了载偏压状态下VCT的有效性。而途径偏压电源的RF电流已逐渐递减至0，仅余留直流电流，由此印证3～30MHz无线电波屏蔽网络的屏蔽具有一定的优异性。3～30MHz无线电波功率接入DC在一定程度上能够影响内部电元装置，进而造成DC异常。在使用3～30MHz无线电波进行屏蔽网络，在保护DC的基础上，还可以降低3～30MHz无线电波功率损耗，增大RF能量的利用率。尽管DC可以在一定区间内调节VC双侧负偏压，不过因为RF辉光放电的时候，VC-impedance具有较强的非线性与繁琐性，负偏压无法进行无限制调节，偏压调节仅是一定范围的调整。

3  结语

综上所述，此次研究笔者將impedance匹配网AD—N3MHz～30MHz无线电波屏蔽网络应用在RFPS与DC系统，在此基础上RF辉光放电状态下的RFPS、DC与VC模型予以建模处理，最后对仿真结果进行多层次的探究，印证了理论的正合理性与ADN的可用性。

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