論真空鍍膜射頻疊加直流偏壓工藝

金誠(chéng)明 黃樂(lè) 祝海生

摘要：VCT（Vacuum coating technology真空鍍膜技術(shù)）是現(xiàn)階段較為先進(jìn)的材料合成及加工技術(shù)，系統(tǒng)經(jīng)VC（Vacuum chamber真空室）、泵組、電源以及控制系統(tǒng)構(gòu)成。VCT的電源是整個(gè)工藝的主要構(gòu)成因子，VCT的電源性能會(huì)從根本影響鍍膜工藝的流暢性和質(zhì)量。目前RF輝光放電鍍膜裝置大多以RFPS（Radio Frequency power supply射頻電源）為主，而經(jīng)調(diào)整VC內(nèi)環(huán)境去改變VC兩側(cè)偏壓系數(shù)，具有較強(qiáng)的制約性。 為了從根本改善鍍膜工藝，要設(shè)計(jì)出RF和DC（直流電源 powerDC）雙系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)節(jié)DC的輸出去改變VC兩側(cè)的負(fù)偏壓系數(shù)，這也是現(xiàn)階段業(yè)內(nèi)所面對(duì)的主要課題。

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(guān)鍵詞：真空鍍膜;射頻;直流偏壓;工藝

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

中圖分類號(hào)：TB43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）02-0020-02

0? 引言

真空鍍膜射頻疊加直流偏壓工藝可以使固體表層具有耐磨損、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、防輻射、導(dǎo)電、導(dǎo)磁、絕緣等許多優(yōu)于固體材料本身的優(yōu)越性能，能夠達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命、節(jié)約能源和獲得顯著技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的作用。因此目前真空鍍膜射頻疊加直流偏壓工藝可以被有效地應(yīng)用于農(nóng)用機(jī)械及汽車的內(nèi)燃機(jī)與相關(guān)管材之中。

1? 射頻及直流雙電源系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

雙電源系統(tǒng)經(jīng)RFPS、DC、impedance匹配網(wǎng)絡(luò)AD—N3MHz～30MHz無(wú)線電波屏蔽網(wǎng)絡(luò)組成，其能夠輸出3～30MHz無(wú)線電波，進(jìn)而為VCT提供電能。

1.2 impedance匹配網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電回路原理及參數(shù)計(jì)算

①首先，轉(zhuǎn)換RFPSimpedance，使其和負(fù)載的impedance制衡，因此使功率完全傳輸至負(fù)載;②將RFPS和VC予以隔離處理，這樣能夠?qū)F能量傳輸至VC的基礎(chǔ)上仍不影響真空室生成負(fù)自偏壓，進(jìn)而加速VCT過(guò)程。

RFPS的內(nèi)阻為R0，RFPS的頻率f，令Y0=1/2？仔·C0，Y1=1/2？仔f·C1，X0=2？仔f·L0，此研究依附于上述條件與導(dǎo)電回路原理圖，以輸出側(cè)作為切入點(diǎn)，電源輸出的等效impedance如下述公式：

因此，經(jīng)改變電容量 C0能夠調(diào)節(jié)RFPS等效輸出impedance實(shí)部。在電源輸出impedance和負(fù)載impedance制衡的狀態(tài)下RFPS輸出功率處于極值，這種狀態(tài)下電源利用有效性交稿。

RF能量經(jīng)impedance匹配網(wǎng)絡(luò)輸出至VC，在RF作用下，因?yàn)殡x、電子間質(zhì)量的差異而產(chǎn)生偏差，一側(cè)電極會(huì)累積電子，所以會(huì)產(chǎn)生負(fù)偏置現(xiàn)象，即VC自偏壓生成的主要因素。此狀態(tài)不僅需要VC具有特定的條件，同時(shí)要具備導(dǎo)電回路提供不影響其偏壓產(chǎn)生的條件。電容量C1即可完成此功能，電容量具有隔斷直流電位差的功能，負(fù)偏壓不能通過(guò)電容量C1，所以屏蔽RFPS內(nèi)阻對(duì)負(fù)偏壓的影響，使VC內(nèi)出現(xiàn)自偏壓。

1.3 高頻屏蔽網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電回路原理及參數(shù)計(jì)算

3～30MHz無(wú)線電波屏蔽網(wǎng)絡(luò)主要包括下述功能：①將RFPS的功率屏蔽，防止RF高能量影響DC;②將DC偏壓傳輸至VC，VC中的負(fù)偏置會(huì)逐漸顯著，深化碳離子在工件上的粘附度，這樣利于后續(xù)工藝的開(kāi)展。其與低通網(wǎng)絡(luò)相近，根據(jù)實(shí)際情況依附于需要可采用兩級(jí)、多級(jí)屏蔽網(wǎng)絡(luò)。工作原理需通過(guò)直流等效導(dǎo)電回路和RF等效導(dǎo)電回路兩個(gè)模型分析。依附于電容量具有通3～30MHz無(wú)線電波隔低頻的特性，電感能夠通低頻且隔3～30MHz無(wú)線電波，DC供電環(huán)境下，DC和3～30MHz無(wú)線電波屏蔽網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電回路。

DC連接至3～30MHz無(wú)線電波屏蔽網(wǎng)絡(luò)后依然等效為DC，等效后輸出電位差和既有DC電位差制衡，電源整體內(nèi)阻變?yōu)镽1+R2。其中R2即限流電阻。如果擬定VC為恒定的負(fù)載電阻Req，VC的偏壓大小可近似為：

3～30MHz無(wú)線電波屏蔽網(wǎng)絡(luò)RF等效導(dǎo)電回路，此導(dǎo)電回路內(nèi)，RF_IN即RF能量輸入端，RF_OUT即直流側(cè)電源入口，在此基礎(chǔ)上亦為RF能量的輸出端。RF屏蔽網(wǎng)絡(luò)主要作用是將RF輸入的能量最大限度的進(jìn)行屏蔽，進(jìn)而弱化RF_OUT端的RF能量。

RF能量經(jīng)3～30MHz無(wú)線電波屏蔽網(wǎng)絡(luò)后，其輸出端電位差的有效系數(shù)計(jì)算如下。

RF輸入端，RF電位差有效系數(shù)為V1，RFPS頻率為f;RF輸出端RF電位差有效值為V2，頻率依然是f。令Y2=1/2πf.C2，X1=2πf.L1。

K的取值主要包括下述兩種情況：①在K？叟1的狀態(tài)下，V2？叟V1，此時(shí)3～30MHz無(wú)線電波屏蔽網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有屏蔽作用。②在0<K<1狀態(tài)下，V2

通過(guò)上述發(fā)現(xiàn)，只有在（X1/Y2）>2狀態(tài)下，3～30MHz無(wú)線電波屏蔽網(wǎng)絡(luò)才開(kāi)始具有屏蔽效果，若要深化屏蔽有效性，則需達(dá)到：（X1/Y2）>>2。換而言之，所選裝置件參數(shù)要達(dá)到下述基本條件：（2？仔f）2L1C2>>2。

2? 建模仿真

2.1 系統(tǒng)搭建

此次研究的仿真導(dǎo)電回路，RFPS經(jīng)impedance匹配網(wǎng)絡(luò)與VC進(jìn)行連接，impedance匹配網(wǎng)絡(luò)會(huì)出現(xiàn)RFPS-impedance和負(fù)載impedance擬合的情況，因此使RFPS的功率輸出達(dá)到極值;DC經(jīng)3～30MHz無(wú)線電波屏蔽網(wǎng)絡(luò)連接到VC，3～30MHz無(wú)線電波屏蔽網(wǎng)絡(luò)會(huì)將直流偏壓能量傳輸至VC，同時(shí)屏蔽RF能量，防止3～30MHz無(wú)線電波能量影響DC，在此基礎(chǔ)上可以避免RF能量無(wú)端浪費(fèi)。

2.2 系統(tǒng)性能分析

2.2.1 impedance匹配網(wǎng)絡(luò)仿真分析

因?yàn)閂C等效模型內(nèi)有半導(dǎo)體裝置件，VC的等效電阻并非為單個(gè)電阻，VC兩極板間等效電容量偏低。在RF電位差的正半周，D1導(dǎo)通，VC等效impedance為10Ω;RFPS負(fù)半周，D1中斷，VC等效impedance20Ω。在一個(gè)周期中，VC的有效impedance為Req=1/2×10+1/2×20=15Ω，通過(guò)■明確，Co即486.2pF。隔直電容量C1impedance要盡可能小，筆者以10Ω為基礎(chǔ)，又Y1=1/2πf.C1，可計(jì)算出電容量C1，為1592 pF。依附于■計(jì)算可得Lo為0.68μH。此次研究對(duì)兩個(gè)impedance匹配網(wǎng)絡(luò)分別實(shí)施仿真。

2.2.2 高頻屏蔽網(wǎng)絡(luò)性能仿真分析

RFPS頻率f為10MHz，電感L為100μH，電容量C2為1000pF，帶入（2？仔f）2L1C2>>2得：（2？仔f）2L1C2=394.8，滿足遠(yuǎn)超過(guò)2的條件。3～30MHz無(wú)線電波屏蔽網(wǎng)絡(luò)性能可經(jīng)有、無(wú)3～30MHz無(wú)線電波屏蔽網(wǎng)絡(luò)不同狀態(tài)下對(duì)VC與偏壓電源參數(shù)實(shí)施比較。無(wú)有3～30MHz無(wú)線電波屏蔽網(wǎng)絡(luò)在差異化情況下VC電位差與流過(guò)DC的電流波形，-200V區(qū)域的類正弦波即VC兩側(cè)電位差。經(jīng)對(duì)比不難得出，增加3～30MHz無(wú)線電波屏蔽網(wǎng)絡(luò)后，VC兩端的RF能量增幅較大，輸出到VC的電位差峰峰值（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無(wú)線電波屏蔽網(wǎng)絡(luò)的從根本深化了載偏壓狀態(tài)下VCT的有效性。而途徑偏壓電源的RF電流已逐漸遞減至0，僅余留直流電流，由此印證3～30MHz無(wú)線電波屏蔽網(wǎng)絡(luò)的屏蔽具有一定的優(yōu)異性。3～30MHz無(wú)線電波功率接入DC在一定程度上能夠影響內(nèi)部電元裝置，進(jìn)而造成DC異常。在使用3～30MHz無(wú)線電波進(jìn)行屏蔽網(wǎng)絡(luò)，在保護(hù)DC的基礎(chǔ)上，還可以降低3～30MHz無(wú)線電波功率損耗，增大RF能量的利用率。盡管DC可以在一定區(qū)間內(nèi)調(diào)節(jié)VC雙側(cè)負(fù)偏壓，不過(guò)因?yàn)镽F輝光放電的時(shí)候，VC-impedance具有較強(qiáng)的非線性與繁瑣性，負(fù)偏壓無(wú)法進(jìn)行無(wú)限制調(diào)節(jié)，偏壓調(diào)節(jié)僅是一定范圍的調(diào)整。

3? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，此次研究筆者將impedance匹配網(wǎng)AD—N3MHz～30MHz無(wú)線電波屏蔽網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在RFPS與DC系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上RF輝光放電狀態(tài)下的RFPS、DC與VC模型予以建模處理，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行多層次的探究，印證了理論的正合理性與ADN的可用性。

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