脈沖磁控濺射的工作原理和工作方式

脈沖磁控濺射的工作原理和工作方式
脈沖磁控濺射是采用矩形波電壓的脈沖電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電源進(jìn)行磁控濺射沉積。脈沖磁控濺射技術(shù)可以有效的抑制電弧產(chǎn)生進(jìn)而消除由此產(chǎn)生的薄膜缺陷，同時(shí)可以提高濺射沉積速率，降低沉積溫度等一系列顯著優(yōu)點(diǎn)。
脈沖可分為雙向脈沖和單向脈沖（如圖5所示）。雙向脈沖在一個(gè)周期內(nèi)存在正電壓和負(fù)電壓兩個(gè)階段，在負(fù)電壓段，電源工作于靶材的濺射，正電壓段，引入電子中和靶面累積的正電荷，并使表面清潔，裸露出金屬表面。加在靶材上的脈沖電壓與一般磁控濺射相同(400～500V)，脈沖磁控濺射通常采用方波脈沖波形，在中頻段(20～200kHz)即可有效消除異�；」夥烹姷陌l(fā)生，控制靶材放電的時(shí)間，保證靶材不中毒、不出現(xiàn)電弧放電，然后斷開靶電壓甚至使得靶材帶正電。因?yàn)榈入x子體中電子運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)高于離子速度，變換的靶材正電壓一般只需要負(fù)偏壓的10%～20%，即可以防止電弧放電。有研究認(rèn)為，脈沖寬度（正負(fù)電壓時(shí)間之比）具有關(guān)鍵作用，脈沖寬度達(dá)到1∶1時(shí)具有最佳抑制效果；正電壓大小對(duì)是否產(chǎn)生電弧放電沒(méi)有明顯影響，但是極大的影響沉積速率，正電壓從10%提高到20%(與負(fù)電壓之比)，沉積速率可以提高50%。
圖5（a）單向脈沖（b）雙向脈沖
雙向脈沖更多地用于雙靶閉合式非平衡磁控濺射系統(tǒng)如圖6，系統(tǒng)中的兩個(gè)磁控靶連接在同一脈沖電源上，與中頻孿生靶相似，兩個(gè)靶交替充當(dāng)陰極和陽(yáng)極，陰極靶在濺射的同時(shí)，陽(yáng)極靶完成表面清潔，如此周期性地變換磁控靶極性，就產(chǎn)生了“自清潔”效應(yīng)。
脈沖磁控濺射的主要參數(shù)包括濺射電壓、脈沖頻率和占空比。由于等離子體中的電子相對(duì)離子具有更高的能動(dòng)性，因此正電壓值只需要負(fù)電壓值的10%～20%，就可以有效中和靶表面累積的正電荷。脈沖頻率通常在中頻范圍，頻率下限決定于保證靶面累積電荷形成的場(chǎng)強(qiáng)低于擊穿場(chǎng)強(qiáng)的臨界值，頻率上限的確定主要考慮到沉積速率，一般在保證穩(wěn)定放電的前提下，盡可能取較低的頻率。占空比的選擇在保證濺射時(shí)靶表面累積的電荷能在正電壓階段被完全中和的前提下，盡可能提高占空比，以實(shí)現(xiàn)電源的最大效率。
圖6雙靶雙向脈沖磁控濺射示意圖
另一個(gè)最新發(fā)展是在襯底上加脈沖偏壓。脈沖偏壓能夠大大提高襯底上的離子束流。在磁控濺射中，直流負(fù)偏壓一般加到－100V時(shí)，襯底離子束流即達(dá)到飽和，提高負(fù)偏壓不會(huì)增加襯底離子束流，一般認(rèn)為該飽和電流為離子束流，電子無(wú)法接近襯底表面。使用脈沖偏壓則不然，研究表明，脈沖偏壓不僅能夠提高襯底飽和電流，而且隨著負(fù)偏壓的增大，飽和電流增大；當(dāng)脈沖頻率提高時(shí)，該效應(yīng)更加顯著；該機(jī)制仍然不很清楚，可能與振蕩電場(chǎng)產(chǎn)生的等離子體的離化率及電子溫度較高這一效應(yīng)有關(guān)。襯底脈沖負(fù)偏壓為有效控制襯底電流密度提供了一種新的手段，該效應(yīng)可以應(yīng)用到優(yōu)化膜層結(jié)構(gòu)、附著力，以及縮短濺射清洗及襯底加熱時(shí)間。
相關(guān)文章閱讀：
平衡磁控濺射的概念和優(yōu)缺點(diǎn)
非平衡磁控濺射的結(jié)構(gòu)和運(yùn)用
反應(yīng)磁控濺射的工作原理和遲滯現(xiàn)象的解決方法
脈沖磁控濺射的工作原理和工作方式