HiPIMS脈沖波形對(duì)輝光放電特性的影響

引言

HiPIMS電源屬于脈沖電源的一種，通過降低占空比到低于10%，在相同功率情況下，可以使得磁控濺射峰值電流三個(gè)數(shù)量級(jí)的增加，本文將介紹脈沖波形對(duì)于輝光放電特性的影響，為控制不同靶材輝光特性及工藝優(yōu)化提供參考。

點(diǎn)睛

1)在工藝中，往往希望得到高的峰值電流和低的靶電壓，但這兩者往往是矛盾的，需要在工藝中綜合考慮。

2)HiPIMS電源可調(diào)參數(shù)多，即使在相同占空比下，針對(duì)不同靶材，其脈沖寬度，占空比，靶電壓與峰值電流都會(huì)出現(xiàn)不同的特性，增加工藝控制手段的同時(shí)，也增加了優(yōu)化難度。

3)隨著靶電壓的增加峰值電流密度增加，但是在不同電壓段，峰值電流變化趨勢(shì)不同。

4)在長(zhǎng)脈寬下，金屬放電會(huì)進(jìn)入自持放電模式，會(huì)降低濺射速度，但可以增加離子種類和數(shù)量，需要根據(jù)工藝要求擇優(yōu)選擇。

內(nèi)容

在Cr靶磁控濺射中，通過增加脈沖關(guān)閉時(shí)間到1450us和2450us來(lái)調(diào)節(jié)脈沖占空比低至3.33%和2%, 在平均電流不變情況下，增加脈沖周期時(shí)間，會(huì)使得靶電壓和峰值電流都大幅度的增加，如圖1所示。隨著電壓增加，其高峰值電流持續(xù)時(shí)間也延長(zhǎng)。在功率恒定情況下，通過改變脈沖結(jié)構(gòu)可以獲得不同的靶電壓和峰值電流，從而獲得不同的等離子體性能。

圖1、脈沖關(guān)閉時(shí)間(占空比)對(duì)電流和電壓影響

HiPIMS等離子體性能的最大影響的因素就是峰值電流。接下來(lái)介紹不同峰值電流與靶電壓的關(guān)系；不同峰值電流中，氣體離子和金屬離子的變化關(guān)系。

不同脈沖占空比下電壓與峰值電流關(guān)系，如圖2所示，電壓和峰值電流的關(guān)系都可以分為：

A、電壓小于400V時(shí)，峰值電流密度隨著電壓增加成18倍的斜率增加，(像DC等離子體，電流密度小于0.36A/cm2)。

B、電壓在400-550V，隨著電壓增加，峰值電流密度基本不變，主要是增加等離子體的阻抗。

C、550V-650V時(shí)隨著離化率的增加，電流密度又隨著電壓的增加而增加。D、大于700V之后，當(dāng)峰值電流大于1.6A/cm2之后，靶磁場(chǎng)對(duì)電子的束縛和影響就基本消失了，峰值電流又會(huì)再一次趨于平穩(wěn)。

圖2、不同脈沖占空比下電壓與峰值電流關(guān)系

不同峰值電流中氣體離子和金屬離子的變化關(guān)系，如圖3所示，相對(duì)應(yīng)于峰值電流密度的四個(gè)階段，等離子體強(qiáng)度中金屬離子和氣體離子之間的關(guān)系圖。A、在最小峰值電流時(shí)，有氣體離子和金屬離子數(shù)量都增加；

B、當(dāng)繼續(xù)增加峰值電流到0.5Acm-2，Cr粒子和離子的強(qiáng)度會(huì)增加，而Ar離子不會(huì)增加；

C、繼續(xù)增加峰值電流到1.6Acm-2時(shí)，Ar粒子數(shù)量開始降低，顯示出明顯的氣體稀薄效應(yīng)；

D、繼續(xù)增大電流時(shí)，氣體稀薄更加凸顯，靶面輝光以金屬離子為主。

圖3、不同峰值電流下氣體離子與金屬離子的產(chǎn)額差別

如果靶脈沖時(shí)間拉長(zhǎng)看，其放電電流與電壓的關(guān)系，有兩種模型，如圖4所示，對(duì)于金屬易于濺射的材料，在長(zhǎng)的脈沖時(shí)間可以使放電進(jìn)入自持濺射模型，大于750V之后，基底離子電流甚至大于靶的放電電流，同時(shí)有足夠長(zhǎng)的時(shí)間可以產(chǎn)生更多種類的帶電粒子，如更多二價(jià)金屬離子。由于C的低的濺射產(chǎn)額和高的離化勢(shì)能，導(dǎo)致靶的濺射不能維持其自濺射模式。這也是為什么C的濺射速率和離化率都比較低的原因。對(duì)于這類材料沒必要用長(zhǎng)的脈沖時(shí)間。

圖4、長(zhǎng)脈寬下放電電流與電壓關(guān)系模型，（a）金屬模式 （b）非金屬模式[3]

長(zhǎng)脈沖時(shí)間中電流的變化，不僅跟功率和脈沖結(jié)構(gòu)有關(guān)，還和靶材的二次電子發(fā)射有關(guān)。在濺射過程中產(chǎn)生的二次電子在磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下也能產(chǎn)生部分的電流。也就是說，功率和脈沖結(jié)構(gòu)還有靶材的一些特性，像濺射產(chǎn)額，離化勢(shì)能，濺射產(chǎn)生二次電子數(shù)量等等都會(huì)直接影響到電流持續(xù)時(shí)間。所以會(huì)有金屬Al和非金屬C有不同的規(guī)律出現(xiàn)。

結(jié)論

1)峰值電流與靶電壓關(guān)系，總體趨勢(shì)是隨著靶電壓的增加峰值電流增加，但變化趨勢(shì)不同，在400-550V之間只增加等離子體阻抗；

2)在高峰值電流下，金屬離子會(huì)和氣體離子在時(shí)間上分離；

3)在長(zhǎng)脈寬下，金屬放電會(huì)進(jìn)入支持放電模式，可以增加離子種類和數(shù)量，像碳等高離化能材料，即使在長(zhǎng)脈寬下也不能增加離化。