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傳統直流電源進行磁控濺射沉積。脈沖磁控濺射技術可以有效的抑制電弧產生進而消除由此產生的薄膜缺陷，同時可以提高濺射沉積速率，降低沉積溫度等一系列顯著優點。
脈沖可分為雙向脈沖和單向脈沖（如圖5所示）。雙向脈沖在一個周期內存在正電壓和負電壓兩個階段，在負電壓段，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)即可有效消除異常弧光放電的發生，控制靶材放電的時間，保證靶材不中毒、不出現電弧放電，然后斷開靶電壓甚至使得靶材帶正電。因為等離子體中電子運動速度遠高于離子速度，變換的靶材正電壓一般只需要負偏壓的10%～20%，即可以防止電弧放電。有研究認為，脈沖寬度（正負電壓時間之比）具有關鍵作用，脈沖寬度達到1∶1時具有最佳抑制效果；正電壓大小對是否產生電弧放電沒有明顯影響，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如圖6，系統中的兩個磁控靶連接在同一脈沖電源上，與中頻孿生靶相似，兩個靶交替充當陰極和陽極，陰極靶在濺射的同時，陽極靶完成表面清潔，如此周期性地變換磁控靶極性，就產生了“自清潔”效應。
脈沖磁控濺射的主要參數包括濺射電壓、脈沖頻率和占空比。由于等離子體中的電子相對離子具有更高的能動性，因此正電壓值只需要負電壓值的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強低于擊穿場強的臨界值，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，以實現電源的最大效率。
圖6雙靶雙向脈沖磁控濺射示意圖
另一個最新發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，直流負偏壓一般加到－100V時，襯底離子束流即達到飽和，提高負偏壓不會增加襯底離子束流，一般認為該飽和電流為離子束流，電子無法接近襯底表面。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，而且隨著負偏壓的增大，飽和電流增大；當脈沖頻率提高時，該效應更加顯著；該機制仍然不很清楚，可能與振蕩電場產生的等離子體的離化率及電子溫度較高這一效應有關。襯底脈沖負偏壓為有效控制襯底電流密度提供了一種新的手段，該效應可以應用到優化膜層結構、附著力，以及縮短濺射清洗及襯底加熱時間。
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