CN102108492A

CN102108492A - 一种基于高功率脉冲磁控溅射的离化率可控镀膜设备

Info

Publication number: CN102108492A
Application number: CN 201110020364
Authority: CN
Inventors: 夏原; 李光; 高方圆
Original assignee: Institute of Mechanics of CAS
Current assignee: Institute of Mechanics of CAS
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2011-06-29

Abstract

一种基于高功率脉冲磁控溅射的离化率可控镀膜设备，所述镀膜设备包括：真空溅射体系、低压直流电源体系、高压脉冲电源体系、PLC中央控制体系和计算机；低压直流电源体系为真空体系提供低压电流，高压脉冲电源体系为真空体系提供高压脉冲电流；PLC中央控制体系对真空体系、低压直流电源体系、高压脉冲电源体系进行控制，所述PLC与计算机实现数据的传送与控制。本发明的有益效果是：1）预置直流电压，有效降低了脉冲电流迟滞时间；2）耦合入直流磁控溅射，有效保证了薄膜沉积速率；3）建立一种等离子体离化率可调的HIPIMS磁控溅射技术，为相关科学的研究提供了技术支持。

Description

一种基于高功率脉冲磁控溅射的离化率可控镀膜设备

技术领域

本发明涉及一种在磁控溅射耦合电压模式下，等离子体离化率可调的HIPIMS磁控溅射设备。

背景技术

磁控溅射作为一项极具优势的物理气相沉积技术，在微电子、光学薄膜及材料表面处理等多个领域获得了广泛应用。但由于离化率较低，这种技术在提高薄膜质量方面也存在一定的局限性，表现为制备工艺的不稳定和较差的膜基结合力。

提高等离子体离化率，增加成膜过程的可控性一直是表面领域工程应用的重大需求。高功率密度脉冲磁控溅射（HIPIMS）就是在这种背景下发展起来的新型表面改性技术，是表面工程研究30年历史上最有意义的突破，对现代薄膜制备与精确控制的发展具有巨大的推动作用。在HIPIMS中, 高能量的脉冲作用可以使磁控靶周围的电子密度达到10¹⁹m^?3，电子的高密度增加了溅射原子与高能电子的电离碰撞几率，由此获得了高离化的溅射材料粒子，可将金属等离子体的离化率由5%提高到80%以上。由于控制和影响入射粒子荷能状态和空间分布的手段主要是电、磁场，因此，提高等离子体离化率，使中性不可控粒子转变为离子，将有利于人为干预成膜过程，而获得高品质薄膜。

如图1所示，在现有技术中，高功率脉冲电源是HIPIMS***的核心部件，是单一或多个LC电路组合而成的脉冲网路。充电电源4通过电子开关S1为电容组C充电，构成充电回路；电容组C上的电压在电子开关S₂的定期通断作用下形成脉冲放电到磁控管中。磁控溅射靶2在高能级下工作可获得高等离子体密度和离化率，但是传统的直流磁控溅射受磁控靶发热融化的限制，只能工作在25mA/cm²靶电流密度以下。而该电源可在磁控靶上提供1000～3000 W/cm²的峰值能量密度（常规磁控溅射通常不超过25 W/cm²），瞬间功率即可达到兆瓦级，但其频率低，占空比小，平均功率只有几十千瓦，不会对磁控靶造成损坏。

但在标准HIPIMS电源的放电过程中，磁控电流上升与电压脉冲难以同步，尤其在低气压情况下，如图2所示，同一溅射脉冲里高离化率等离子体辉光的产生时间较电压滞后达几十微秒。另外，与常规磁控溅射相比，HIPIMS相同平均功率下的沉积速率较低，主要是因为在高离化率条件下，大量溅射材料离子被吸回到阴极，而未到达基体表面。因此，既能获得高离化率的等离子体，又不损害薄膜的沉积速率是HIPIMS技术的发展趋势。

HIPIMS作为一种提供高离化率等离子体源的新兴技术，可利用其实现等离子体离化率在一定范围内可调，但由于标准HIPIMS电源使用较低的脉冲频率（5HZ～200HZ）和低占空比（0.1%～10%），若要使磁控溅射维持正常工作，必须保证其具有较高的脉冲峰值能量密度，因此无法仅仅基于标准HIPIMS电源的调控实现等离子体离化率的有效控制。

发明内容

根据现有技术中所存在的不足，本发明提供一种在HIPIMS放电过程中降低电流脉冲迟滞时间，在保证薄膜沉积速率的同时，建立一种等离子体离化率可调的HIPIMS磁控溅射镀膜设备。一种基于高功率脉冲磁控溅射的离化率可控镀膜设备包括：真空溅射体系、低压直流电源体系、高压脉冲电源体系、PLC中央控制体系和计算机；低压直流电源体系为真空体系提供低压电流，高压脉冲电源体系为真空体系提供高压脉冲电流；PLC中央控制体系对真空体系、低压直流电源体系、高压脉冲电源体系进行控制，所述PLC与计算机实现数据的传送与控制。

进一步，所述真空体系由真空腔体、磁控溅射靶和真空获得装置组成。

进一步，所述低压直流电源体系包括：串联在一起的直流电源、电子开关S₁和二极管D1。

进一步，低压直流稳压电源的电压范围为0～600V。

进一步，所述高压脉冲电源体系包括：充电电源、电容组C和二极管D2、电流传感器、电感器L和两个电子开关S₂、S₃。其中，电子开关S₂与充电电源串联，充电电源、电容器组C和二极管D2三者并联；三者并联后与电子开关S_3、电流传感器和电感器L串联设置在高压脉冲电源体系的总电路上；高压脉冲电源体系通过控制一个电子S₂的开启时间来控制电容组C的充电时间，及放电脉冲的峰值；通过控制另一个电子开关S₃的开启和关闭时间，来控制高压脉冲电源体系所发出的高压脉冲的频率以及占空比。

进一步，所述高压脉冲电源的峰值电压为2000V，脉冲频率为5HZ～200HZ，占空比为0.1%～5%。

进一步，所述PLC中央控制单元包括：硬件电路、CPU和通讯协议组成，所述PLC通过通讯协议与计算机实现数据的传送与控制。

作为实现上述目的的手段，在高功率脉冲磁控溅射电源中耦合入低电压直流电源，构成磁控溅射耦合电源。采用PLC作为中央控制单元，配备相应的接口电路实现对磁控溅射***的控制，通过协调***开关的工作时序来调控耦合脉冲电压的起始时间、频率、峰值及占空比等，实现对沉积速率和离化率的调整与控制。

本发明的有益效果是：

1）预置直流电压，有效降低了脉冲电流迟滞时间；

2）耦合入直流磁控溅射，有效保证了薄膜沉积速率；

3）建立一种等离子体离化率可调的HIPIMS磁控溅射技术，为相关科学的研究提供了技术支持。

附图说明

图1是HIPIMS现有技术原理示意图；

图2是现有标准HIPIMS电源的放电特性曲线；

图3是离化率可调高功率脉冲磁控溅射原理示意图；

图4是离化率可调脉冲电压耦合工作模式示意图；

图5是离化率可调耦合电源的放电特性曲线。

具体实施方式

图3示出了这种离化率可调高功率脉冲磁控溅射技术的原理图，该***主要包括：真空溅射体系、低压直流电源体系、高压脉冲电源体系和PLC中央控制体系。低压直流电源体系为真空体系提供低压电流，高压脉冲电源体系为真空体系提供高压电流；PLC中央控制体系对真空体系、低压直流电源体系、高压脉冲电源体系进行控制。

真空溅射体系由真空腔体1、磁控溅射靶2和真空获得装置等组成。低压直流电源体系包括：串联在一起的直流电源3、电子开关S₁和二极管D1；用于为磁控靶提供稳定的低电压；低压直流稳压电源的电压范围为0～600V。高压脉冲电源体系包括：充电电源4、电容组C和二极管D2、电流传感器5、电感器L和电子开关S₂、S₃。其中，电子开关S₂与充电电源4串联，充电电源4、电容器组C和二极管D2三者并联，并联后与电子开关S_3、电流传感器5和电感器L串联设置在高压脉冲电源体系总电路上。高压脉冲电源体系通过控制电子S₂的开启时间来控制电容组C的充电时间，及放电脉冲的峰值。通过控制电子开关S₃的开启和关闭时间，来控制高压脉冲电源体系所发出的高压脉冲的频率以及占空比。本发明中所需高压脉冲电源体系的峰值电压为2000V，脉冲频率为5HZ～200HZ，占空比为0.1%～5%，电子开关S₂的通断为电容器组C充电，电子开关S₃的通断形成高压脉冲。通过调控开关S₂和S₃的通断时长及时序间隔，可以获得不同峰值、频率以及占空比的高压脉冲。PLC中央控制单元由硬件电路6、CPU和通讯协议7组成，PLC通过通讯协议与计算机8实现数据的传送与控制。电路中的采样电压V为磁控靶电压，通过与磁控靶并联的电压表进行测量。采样电流I为由设置高压脉冲电源体系总电路中的电流传感器5所获得的脉冲电流。电流传感器5通常选用霍尔电流传感器。

在薄膜制备的过程中，采样电流和采样电压通过PLC传输到计算机8上，用于监控真空溅射体系的放电状态；同时由计算机8向PLC发出指令，通过控制低压电源体系和高压电源体系中开关S₁、S₂和S₃的通断，为磁控溅射靶2提供具有确定脉冲起始时间、峰值、频率以及占空比的磁控溅射耦合电压。低压直流电源体系和高压脉冲电源体系相互独立，在镀膜过程中可分别单独使用，也可在计算机和PLC的控制下实现耦合，如图4所示。为实现离化率可调，低压直流电源体系中的直流电源3的电压和高压脉冲电源体系中的充电电源4的电压均连续可调，高压脉冲电源体系的电压的频率脉宽在允许范围内连续可调，脉冲相位可精确移动。

由图4的耦合电压理想波形示意图中可以看出，影响薄膜沉积速度的主要参数为预置的恒定低压值，而影响等离子体离化率的主要参数为：脉冲起始时间、峰值、频率以及占空比等。因此，通过计算机与PLC进行通讯，通过控制低压电源体系和高压电源体系中开关S₁、S₂和S₃的通断时长及时序间隔，就可以实现对薄膜沉积速率和等离子体离化率的调整与控制。其中预置的恒定直流低电压对磁控靶起到预起辉的作用，如图5所示，可使低气压下的耦合脉冲电流滞后时间降低至十微秒以下，与图2中现有技术的电流脉冲迟滞时间相比，明显加快了脉冲电流的上升速度。另外，图4的耦合电压波形中，低电压直流电源为磁控靶提供了常规的直流磁控溅射电流，可以获得稳定的低离化率等离子体，以保证薄膜的沉积速度。而在PLC协调控制下紧接着的HIPIMS高压脉冲，实现等离子体的瞬时高离化。通过调整脉冲和直流磁控溅射的功率比，即在直流恒压确定的情况下，调控脉冲高压的起始时间、频率、峰值及占空比，改变耦合电源的脉冲波形，实现对沉积速率和离化率的调整与控制。

Claims

1.一种基于高功率脉冲磁控溅射的离化率可控镀膜设备，其特征为，所述镀膜设备包括：真空溅射体系、低压直流电源体系、高压脉冲电源体系、PLC中央控制体系和计算机；低压直流电源体系为真空体系提供低压电流，高压脉冲电源体系为真空体系提供高压脉冲电流；PLC中央控制体系对真空体系、低压直流电源体系、高压脉冲电源体系进行控制，所述PLC与计算机实现数据的传送与控制。

2.根据权利要求1中所述镀膜设备，其特征为，所述真空体系由真空腔体、磁控溅射靶和真空获得装置组成。

3.根据权利要求1中所述镀膜设备，其特征为，所述低压直流电源体系包括：串联在一起的直流电源、电子开关S₁和二极管D1。

4.根据权利要求3中所述镀膜设备，其特征为，低压直流稳压电源的电压范围为0～600V。

5.根据权利要求1中所述镀膜设备，其特征为，所述高压脉冲电源体系包括：充电电源、电容组C和二极管D2、电流传感器、电感器L和两个电子开关S₂、S₃；其中，一个电子开关S₂与充电电源串联，充电电源、电容器组C和二极管D2三者并联；三者并联后与另一个电子开关S_3、电流传感器和电感器L串联设置在高压脉冲电源体系的总电路上；高压脉冲电源体系通过控制一个电子S₂的开启时间来控制电容组C的充电时间，及放电脉冲的峰值；通过控制另一个电子开关S₃的开启和关闭时间，来控制高压脉冲电源体系所发出的高压脉冲的频率以及占空比。

6.根据权利要求5中所述镀膜设备，其特征为，所述高压脉冲电源的峰值电压为2000V，脉冲频率为5HZ～200HZ，占空比为0.1%～5%。

7.根据权利要求1中所述镀膜设备，其特征为，所述PLC中央控制单元包括：硬件电路、CPU和通讯协议组成，所述PLC通过通讯协议与计算机实现数据的传送与控制。