HIPIMS脈沖磁控濺射的工作原理

脈沖磁控濺射是一種用矩形波電壓脈沖電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電源的磁控濺射。脈沖磁控濺射技術(shù)能有效地控制電弧的產(chǎn)生，消除由此產(chǎn)生的薄膜缺陷，并能提高沉積速率、降低沉積溫度等一系列顯著的優(yōu)點。

脈沖可分為雙向脈沖和單向脈沖。在負電壓段，電源作用于靶材料的濺射。在正電壓部分，引入積聚在目標表面上的電子和正電荷，使其表面清潔并暴露于金屬表面。加到靶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，能有效消除中頻段(20 ~ 200 kHz)異常電弧放電，控制靶體的放電時間，保證靶體無毒不出現(xiàn)電弧放電。然后目標電壓斷開，目標甚至帶正電。由于等離子體中電子的速度遠高于離子的速度，靶體的正電壓一般只有負偏壓的10% ~ 20%，可以防止電弧放電。認為脈沖寬度(正負電壓時間之比)起關(guān)鍵作用，當脈沖寬度達到1∶1時，正電壓對電弧放電無明顯影響，但對沉積速率有較大影響。當正電壓從10%提高到20%(負電壓之比)時，沉積率可提高50%。

雙向脈沖多為雙靶封閉型不平衡磁控濺射系統(tǒng)如圖6所示，兩個磁控系統(tǒng)在一個靶連接上相同的脈沖功率，用中頻雙靶類似于兩個靶交替充當陰極和陽極，陰極在濺射靶的同時，陽極靶表面光潔，因此磁控靶極性周期性變換，產(chǎn)生了“清潔”的效果。

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比離子更動態(tài)，只需要10% ~ 20%的負電壓就可以有效地中和目標表面積累的正電荷。確定頻率的下限是為了保證目標表面累積電荷形成的場強低于擊穿場強的臨界值。頻率的上限主要由沉積速率決定。一般在保證穩(wěn)定放電的前提下，盡量選用較低的頻率。選擇占空比，保證目標表面積累的電荷在正電壓階段完全中和，從而實現(xiàn)電源效率。

最近的發(fā)展是在襯底中加入脈沖偏壓。脈沖偏壓可以改善離子束在襯底上的流動。在磁控濺射中，當直流負偏壓一般加到-100 V時，基底離子束飽和。增加負偏置不會增加基底離子束。一般認為飽和電流是離子束電流，電子不能接近襯底表面。結(jié)果表明，脈沖偏置不僅可以提高襯底飽和電流，而且隨著負偏置的增加，飽和電流也會增加。當脈沖頻率增加時，效果更顯著。其機制尚不清楚，可能與振蕩電場產(chǎn)生的等離子體電離率和較高電子溫度的影響有關(guān)。襯底脈沖的負偏置為有效控制襯底電流密度提供了一種新方法。該效應(yīng)可用于優(yōu)化薄膜的結(jié)構(gòu)和附著力，縮短濺射清洗和基片加熱的時間。