CN108220901A - 一种新型等离子体溅射镀膜方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型等离子体溅射镀膜方法，该装置由控制系统,高、低压储能单元,负极性高压预电离脉冲电路,双极性低压主脉冲电路,脉冲合成电路及等离子体负载组成；提出高压短脉冲对等离子体预电离和高功率双极性脉冲磁控溅射设计方法，对等离子体负载按照一定重复频率进行多次高压短脉冲预电离和高功率双极性脉冲电场处理，减小负极性高压短脉冲与高功率正、负双极性低压主脉冲之间的时间间隔，以增强电压脉冲与等离子体负载之间的耦合，用于解决靶材电离时刻不一致问题。根据溅射靶材和等离子体气体的不同可以调节负极性高压短脉冲的宽度和电压幅值，可以降低磁控溅射装置内气体的工作气压，实现低气压溅射镀膜，有利于提高粒子的沉积速率和减小薄膜表面粗糙度。

Description

一种新型等离子体溅射镀膜方法

技术领域

本发明属于微电子、光学薄膜和材料表面处理研究技术领域，具体涉及一种新型等离子体溅射镀膜方法及装置，通过负极性高压短脉冲对等离子体预电离和高功率双极性低压脉冲磁控溅射，用于解决溅射镀膜效率低和提高薄膜表面性能等问题。

背景技术

近年来，涂层的制备方法主要采用物理气相沉积（PVD）技术，利用辉光放电、弧光放电或者热蒸发等物理放电过程，在基体表面沉积薄膜涂层的技术。PVD技术主要包括真空蒸镀、真空溅射和离子镀三个类型。磁控溅射技术作为真空溅射的一种，以其独特的优点，如沉积温度低、薄膜密度高以及膜厚易控制等，使其成为硬质涂层制备广泛采用的技术之一。磁控溅射工艺要求磁控溅射电源快速电离工作气体形成稳定的等离子体，在靶材表面形成稳定的入射离子流。由于直流磁控溅射技术金属离化率低和粒子可控性差，不再适合新型薄膜制备，目前研制高功率脉冲磁控溅射电源的技术有以下两种：一是具有高功率脉冲峰值和没有预处理两大特点的高功率脉冲电源，这种电源不能保证重复频率工作下每一个高功率脉冲都能使等离子体发生电离成功溅射粒子；每一个高功率脉冲发生电离的时刻不一致；容易产生起弧打火现象，电压和功率很难被控制等缺点。一是具有高功率脉冲峰值和直流形式预处理特点的高功率脉冲电源，这种电源靠直流部分来实现起弧预处理，但由于高功率脉冲占空比少于直流部分的占空比，电源体积较大、效率较低，且实际应用中粒子沉积速率相对比较低，溅射效率较低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供了一种新型等离子体溅射镀膜方法及装置，本发明提出采用高压短脉冲对等离子体预电离和高功率双极性脉冲磁控溅射设计方法。通过对等离子体负载施加负极性高压短脉冲电场，快速使工作气体发生电离中的气体电离形成阻抗较低、稳定的弱电离放电通道；随后受到高功率负极性低压脉冲电场，用于靶材的溅射；受到正极性低压脉冲电场，用于引入电子清洁铌靶表面，中和靶材表面积累的正电荷。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型等离子体溅射镀膜方法及装置，由控制系统、高压储能单元、低压储能单元、负极性高压预电离脉冲电路、低压双极性主脉冲电路、脉冲合成电路及等离子体负载组成。所述的负极性高压预脉冲和低压双极性主脉冲输出的电压幅值、脉冲宽度、最大输出电流等参数单独可控，互不干扰。

在上述方案中，所述对等离子体负载施加负极性高压短脉冲和高功率正、负双极性低压电脉冲，使等离子体负载受到负极性高压短脉冲电场、高功率负极性低压脉冲电场和正极性低压脉冲电场的循环作用，确保每一个高功率脉冲都能使等离子体负载发生电离成功溅射粒子靶材成功发生溅射，提高溅射成功率。

在上述方案中，所述对等离子体负载加载负极性高压短脉冲，高压短脉冲电压幅值一般为高功率负极性低压主脉冲电压幅值的3倍以上，负极性高压短脉冲宽度小于等于10微秒，根据溅射靶材和等离子体气体的不同可以调节负极性高压短脉冲的宽度和电压幅值，可以降低磁控溅射装置内气体的工作气压，实现低气压溅射镀膜，有利于提高粒子的沉积速率和减小薄膜表面粗糙度。

在上述方案中，新型等离子体溅射镀膜装置采用负极性高压短脉冲对等离子体预电离的方法，提高了高功率双极性主脉冲的占空比，有利于缩小溅射镀膜电源的体积、调高工作效率，用于解决电源体积较大、效率较低问题。

在上述方案中，要求负极性高压短脉冲与高功率正、负双极性低压主脉冲之间的时间间隔要求尽量短，以增强电压脉冲与等离子体负载之间的耦合，快速使工作气体发生电离形成等离子体通道，确保负极性低压主脉冲在阻抗较低、稳定的弱电离通道中放电，保证重频工作下每一个高功率脉冲都能使等离子体发生电离成功溅射粒子和每一个高功率脉冲发生电离时刻的一致性。

在上述方案中，所述的一种新型等离子体溅射镀膜方法及装置，其特征在于对等离子体负载加载高功率正、负双极性低压电脉冲。输出高功率负极性低压脉冲脉宽一般在20-200微秒，电压幅值400-800V，主要用于靶材的溅射；输出正极性低压脉冲幅值0-400V，用于引入电子清洁靶材表面，中和靶材表面积累的正电荷。

在上述方案中，对等离子体负载按照一定重复频率进行多次高压短脉冲预电离和高功率双极性脉冲电场处理，重复频率和加载负极性低压脉冲最大输出电流需根据不同等离子体负载的特性确定。一般性推荐参数范围为：重复频率在0-60Hz之间，负极性低压脉冲最大输出电流在0-150A。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

通过本发明一种新型等离子体溅射镀膜方法及装置，解决了目前高功率磁控溅射存在的问题：1）在重复频率工作下等离子体有时不能发生电离，不能成功溅射粒子；2）每一个高功率脉冲发生电离的时刻不一致；3）溅射时容易产生起弧打火现象，靶面中毒问题；4）电压和功率很难被控制；5）电源体积较大、效率较低，且实际应用中粒子沉积速率相对比较低；6）溅射效率低。并可以降低磁控溅射装置内气体的工作气压，实现低气压溅射镀膜，有利于提高靶材的溅射效率，减小薄膜表面粗糙度。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1新型等离子体溅射镀膜装置结构框图；

图2新型等离子体溅射镀膜装置在铌靶负载下输出的电压和电流波形；

图3新型等离子体溅射镀膜装置在锡靶负载下输出的电压和电流波形。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图1所示，新型等离子体溅射镀膜装置由由控制系统、高压储能单元、低压储能单元、负极性高压预电离脉冲电路、低压双极性主脉冲电路、脉冲合成电路及等离子体负载组成。控制系统由触摸屏、现场可编程门阵列（FPGA）、可编程逻辑控制器（PLC）、隔离电路等外围电路组成。触摸屏主要实现对高压预电离脉冲和高功率双极性低压主脉冲的充电电压、输出保护电流、光信号脉冲宽度、光信号频率等参数设定，以及控制充电单元对储能电容器充电和控制脉冲信号的产生。PLC将触摸屏上0-1000 V电压设定值转换为0-10 V模拟量，经隔离电路后控制充电单元对储能电容器进行充电；FPGA及外围电路主要实现产生频率为0-60 Hz可调，脉冲宽度20-200 微秒可调的光脉冲信号，并实时对装置输出的负极性低压主脉冲回路中的电流进行检测和采样，与基准电流进行比较，若输出脉冲电流超过设定电流值时，FPGA在本周期内关断电脉冲信号，使磁控溅射电源无电压脉冲输出，防止因等离子体负载打弧，短路造成电流输出端电流急剧上升，从而实现对电源进行保护，下一个周期仍正常工作，保证电源装置可靠的运行。

如图２所示，新型等离子体溅射镀膜装置在铌靶负载下输出的电压和电流波形。在装置参数为：高压预电离脉冲电压幅值-3400V，脉冲宽度6微秒；高功率负极性低压脉冲电压幅值-700V，脉冲宽度200微秒；正极性低压脉冲电压幅值50V，脉冲宽度200微秒；工作频率60 Hz，工作气体为氩气，气压0.44 Pa，负极性主脉冲滞后高压预电离脉冲50微秒下。用PEARSON电流环（110型，0.1V/A）和Tek P6015A高压探头分别检测工作时负载回路中的电压、电流信号。负极性高压预电离脉冲快速使氩气发生电离形成阻抗较低、稳定的弱电离放电通道，当高功率负极性主电压脉冲加到铌靶时，负载阻抗立刻逐渐减小，电流逐渐增大并稳定在140A，此时主要用于铌靶的溅射，正极性低压主脉冲主要用于铌靶表面的清洁。在重复频率工作下铌靶每一次电离的时刻都一致，且没有出现打弧现场。不加高压预电离脉冲直接加高功率双极性主脉冲，在上述低气压条件下铌靶不能发生溅射，若要使铌靶成功发生溅射必需提高氩气的气压，在高气压条件下溅射，该条件下溅射镀膜的膜层表面比较粗糙且粒子溅射效率低。

如图３所示，新型等离子体溅射镀膜装置在锡靶负载下输出的电压和电流波形。在装置参数为：高压预电离脉冲电压幅值-3400V，脉冲宽度6微秒；高功率负极性低压脉冲电压幅值-800V，脉冲宽度200微秒；正极性低压脉冲电压幅值10V，脉冲宽度200微秒；工作频率20 Hz，工作气体为氩气，气压0.55 Pa，负极性主脉冲滞后高压预电离脉冲50微秒下。用PEARSON电流环和Tek P6015A高压探头分别检测工作时负载回路中的电压、电流信号。在上述低气压工作条件下锡靶成功溅射出锡粒子，不加高压预电离脉冲直接加高功率双极性低压主脉冲锡靶不能发生溅射。锡靶与铌靶不同，即使在高气压条件下在也很难发生溅射，一旦发生溅射回路中电流立刻增大，出现打弧现象。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种新型等离子体溅射镀膜方法，其特征在于:

对等离子体负载施加负极性高压短脉冲和高功率正、负双极性低压电脉冲，使等离子体负载受到负极性高压短脉冲电场、高功率负极性低压脉冲电场和正极性低压脉冲电场的循环作用，确保每一个高功率脉冲使等离子体负载发生电离成功溅射粒子。

2.根据权利要求1所述的一种新型等离子体溅射镀膜方法，其特征在于所述对等离子体负载加载负极性高压短脉冲，负极性高压短脉冲的电压幅值为高功率负极性低压主脉冲电压幅值的3倍以上，负极性高压短脉冲宽度小于等于10微秒。

3.根据权利要求2所述的一种新型等离子体溅射镀膜方法，其特征在于所述负极性高压短脉冲的宽度和电压幅值根据溅射靶材和等离子体气体的不同进行调节。

4.根据权利要求1所述的一种新型等离子体溅射镀膜方法，其特征在于对等离子体负载采用负极性高压短脉冲预电离方法，提高高功率双极性主脉冲的占空比，缩小溅射镀膜电源的体积。

5.根据权利要求1所述的一种新型等离子体溅射镀膜方法，其特征在于对等离子体负载加载高功率正、负双极性低压电脉冲，输出高功率负极性低压脉冲脉宽在20-200微秒，电压幅值400-800V，输出正极性低压脉冲幅值0-400V。

6.根据权利要求1所述的一种新型等离子体溅射镀膜方法，其特征在于对等离子体负载按照重复频率进行多次高压短脉冲预电离和高功率双极性脉冲电场处理，重复频率和加载负极性低压脉冲最大输出电流需根据不同等离子体负载的特性确定。

7.根据权利要求6所述的一种新型等离子体溅射镀膜方法，其特征在于所述重复频率在0-60Hz之间，负极性低压脉冲最大输出电流在0-150A。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种新型等离子体溅射镀膜方法，采用的装置其特征在于包括控制系统、高压储能单元、低压储能单元、负极性高压预电离脉冲电路、双极性低压主脉冲电路、脉冲合成电路及等离子体负载，所述的负极性高压预脉冲和双极性低压主脉冲输出的电压幅值、脉冲宽度、输出最大电流等参数单独可控，互不干扰。