电源工作模式对中频磁控溅射沉积速率的影响研究

电源工作模式对中频磁控溅射沉积速率的影响研究沉积速率是衡量磁控溅射镀膜设备性能的关键指标，它的大小不但影响制备薄膜的效率而且直接影响薄膜的许多性能，如薄膜应力[1]、电阻率[1]、折射[2]表面形貌[2]等。

磁控溅射的沉积速率与靶功率[2,3,4]、工作气压[3,4]、靶基距[3,5]、靶材材质、工件运动状态等许多因素有关。

在磁控溅射过程中，由于送气流量和抽气速度等在长时间工作情况下不可避免地存在一定的波动而引起负载发生漂移，为了保证镀膜稳定的进行和镀膜工艺的重复性，通常利用磁控溅射电源的内部电路实现电压、电流或功率的稳恒输出。

因此通常的磁控溅射电源为恒压、恒流或恒功率工作模式。

由于磁控溅射在不同的电源工作模式下电源保持稳恒输出量不同，所以不同的工作模式下电参数的调节只能分别依据保持稳定的电压、电流或功率，其他的只能做为参考。

因此有必要研究不同工作模式下沉积速率与被稳定的电参数的对应变化关系，以及气压等工作条件变化时沉积速率的变化情况，为从沉积速率方面考虑，确定需要那种电源工作模式提供参考依据。

本文采用中频孪生钛靶磁控溅射装置，以磁控溅射沉积钛薄膜为例，对不同电源工作模式下沉积速率与电源电压、功率和电流的关系，工作气压、频率占空比改变时沉积速率的变化进行了研究。

1实验图1为实验所用的中频孪生靶磁控溅射装置示意图。

从电的方面考虑，中频电源相当于可以调节的恒压、恒流、或恒功率源，具体是哪种源由选择的工作模式决定；孪生靶可等效为可变电阻与可变电容的并联，这个电阻主要受到气压及孪生靶温度的影响，变化范围比较大，电容也受到工作气压的影响，但变化很小，可以认为恒定不变；此外，连接电源与孪生靶的导线也是有一定电阻的，且也受到自身温度的影响，但由于该电阻比较小，且变化范围也很小可忽略不计，它们统称为孪生靶电阻。

图1中频孪生靶磁控溅射装置示意意图装置中，孪生靶靶面长度1800 mm，单靶靶面宽度90 mm，采用循环水间冷方式冷却；孪生靶靶材为高纯钛，以氩气为工作气体；中频电源为成都普斯特电气有限责任公司生产的MSB-50型中频磁控溅射电源，有恒压、恒流、恒功率三种工作模式，频率在20~40 kHz、占空比在20%~70%之间连续可调节；晶振仪即薄膜镀层控制仪的简称，是INFICON公司生产的，型号为XTC/C，其探头安装在距离孪生靶靶面中心垂直距离100 mm的位置，从而实现沉积速率的实时测量。

2结果与讨论2.1恒压工作模式下的沉积速率恒压工作模式下，电源以设定的电压值为目标，通过调节内部电路输出恒定的电压。

为了确定恒压工作模式下沉积速率与电源参数的关系，在恒压模式下，固定频率为35 kHz、占空比为70%，分别实验0.33 Pa、0.44 Pa、0.61Pa气压下，沉积速率和电压的关系。

实验中发现，恒压工作模式下，在开始的几分钟内，沉积速率不是稳定为某一个确定的值，而是随着溅射时间逐渐稳定。

进一步实验发现，如果是增加电压到某一个值，则沉积速率会先上升，然后逐渐稍微下降；如果是减小电压到某一个值，沉积速率会先下降，然后逐渐稍微上升。

据此推测，可能是孪生靶温度变化导致电阻变化引起的。

电压升高时功率增大，孪生靶温度升高，电阻就变大，消耗的用来发热的电能相对热稳定前就多，热稳定后比热稳定前沉积速率就低了；反之则相反，沉积速率比热稳定前高。

所以，实验是在热稳定后记录的沉积速率的值，实验结果如图2所示。

图2恒压模式下沉积速率和电压的关系从图2可以看出，在不同的工作气压下，沉积速率和电压有相似但不同的对应关系：曲线形状相似，沉积速率和电压对应大小不一样。

随着气压的升高，相同电压下对应的沉积速率也升高，这可能是在相同的电压下，随着气压的增加，电离的氩离子增加，即轰击靶材的离子增加导致轰击出的靶材离子也增加的原因。

2.2恒功率工作模式下的沉积速率恒功率工作模式下，电源以设定的功率值为目标，通过内部电路随时调节输出电压，实现恒定的功率输出。

在恒功率模式下，仍固定频率为35 kHz、占空比为70%，分别实验了0.26 Pa、0.38Pa、0.45 Pa气压下沉积速率和功率的关系。

在恒功率实验中同样发现了类似恒压实验中的沉积速率变化现象，但是，该工作模式下沉积速率的变化比恒压工作模式下的要小一些。

可能原因是，恒压模式下，电压不变，电阻变化引起的电流变化比较大，电源输出功率就改变了。

电源输出功率改变和发热消耗功率的改变双重作用，使得真正用来溅射的功率改变比较大，沉积速率变化就比较大。

而恒功率模式下功率不变，只是用来发热的功率改变了，相对总功率也要变化的恒压模式，沉积速率变化就小了。

因此，实验中记录的沉积速率是在稳定时的值，实验结果如图3所示。

从图3可以看出，恒功率工作模式下，不同的气压，相同的功率对应的沉积速率变化很小，沉积速率和功率有近似的线性关系，但是，这个线性关系是不严格的，随着功率的增加，单位功率增加的沉积速率逐渐减小。

造成这种现象的原因可能是随着功率增加靶的温度也逐渐升高，靶的电阻就变大，其发热消耗的功率就会变大。

这增加的溅射功率比增加的总功率要小一些，由于电源稳定的是总功率，所以随着功率增大单位功率增加的沉积速率减小。

不同气压相同功率下沉积速率变化不大的可能原因是：相同的功率时，气压越低电流越小，氩离子就越少，即轰击靶材的离子减少；但同时气压越低电压越大，氩离子能量就越大，相同数量的氩离子溅射出的靶材粒子就越多即溅射系数就越大。

这样，恒功率模式下，在所实验的气压范围内，气压变化时氩离子密度的变化和其溅射系数的变化两方面的影响使得相同功率不同气压下的沉积速率变化很小。

图3恒功率模式下沉积速率和功率的关系2.3恒流工作模式下的沉积速率恒流工作模式下，电源以设定的电流值为目标，通过内部电路随时调节输出电流，实现恒定的电流输出。

恒流模式下，频率为35 kHz、占空比为70%时，分别实验了气压为0.27 Pa、0.37 Pa、0.49 Pa时沉积速率和电流的关系。

与恒压、恒功率不同的是，在恒流的实验中没有发现沉积速率在调节电参数过程中有一个稳定过程的现象。

可能原因是，恒流时，电流不变，电阻效应发热消耗的功率的变化由电源的输出补偿了，真正用来溅射的功率没有改变，实验结果如图4所示。

图4恒流工作模式下沉积速率和电流的关系从图4可以看出，恒流工作模式下，在所实验的三种不同工作气压下，沉积速率与电流有很好的线性比例关系，这是很好理解的，因为电反映轰击靶材的氩离子密度。

另外，气压不同时相同电流沉积速率变化很小，只是在电流较大时才能看得出相同电流下气压高时沉积速率略低一些。

可能原因是相同电流下气压低时电压比气压高时要高，导致氩离子溅射系数小。

2.4三种模式下沉积速率随气压的变化从上面的实验中可以发现无论那种模式，沉积速率和工作气压都有关。

为了了解沉积速率与气压的关系，分别实验了三种工作模式下频率为35 kHz、占空比70%、以15 A为基准工作电流，保持各自工作模式下恒定的输出值，即调节气压不调节电源，在不同气压下的沉积速率，实验结果如图5所示。

图5三种模式下沉积速率随气压的变化图5中，在初始的0.28 Pa时，三种模式下沉积速率相同。

事实上，在相同的气压下，电流相同时，电源的其他参数也相同，说明在气压等工作条件稳定时，沉积速率与电源的模式无关。

当气压由0.28 Pa增加到0.44 Pa时，恒流、恒功率模式下沉积速率稍微减小，而恒压模式下明显增大，说明气压不稳定时沉积速率受到的影响与电源的工作模式有关，恒流和恒功率有助于消除气压变化对沉积速率的影响。

从电源的不同工作模式时输出电能的规则分析：恒压模式下电压恒定，电流随着气压的增加而逐渐增大，沉积速率随着电流的增加而增加；恒功率模式下，功率不变，随着气压的升高，电压减小使得氩离子溅射系数减小，电流增大使氩离子密度增加，这两方面共同作用，使沉积速率保持基本不变；恒流模式下，电流恒定，随着气压的升高，电压逐渐下降，这样氩离子溅射系数减小，但由于在所实验的气压范围内影响不是很大，因此沉积速率只是略微下降。

所以从气压变化时沉积速率稳定性方面考虑，恒功率、恒流模式比较好，恒压模式起不到稳定沉积速率的作用。

2.5沉积速率与电源频率、占空比之间的关系由于当气压等工作条件相同时沉积速率大小只与电参数有关，与电源工作模式无关，所以我们可以通过研究一种模式下沉积速率与频率、占空比的关系来了解他们之间的关系。

由于恒流模式下沉积速率稳定性好且沉积速率与电流成线性关系，所以可以选用恒流模式。

为了了解沉积速率与占空比关系，在恒流模式，气压0.37 Pa、频率35 kHz、电流20 A的条件下，实验了沉积速率及电压和占空比的关系，实验结果如图6、图7。

从图6可以看出，20A时，随着占空比的升高，沉积速率逐渐下降。

这主要是因为随着占空比的上升，电压逐渐下降，如图7。

由于氩离子能量和电压有关，电压下降，氩离子能量下降，溅射系数就下降。

溅射系数会直接影响沉积速率，所以沉积速率随着电压的下降而减小，即随着占空比的增大而减小。

电压随着占空比的增加而下降和电源显示电流的方式有关：在这里，电流是平均电流，即一个周期内瞬时电流绝对值的积分除以一个全周期时间。

这样，占空比越高，一个周期内通电的时间越多，脉冲电流就越小，对应的电压也就越小。

为了了解沉积速率与频率关系，在恒流模式，气压0.36 Pa、占空比70%、电流15 A条件下，实验了沉积速率及电压和频率的关系，实验结果如图8、图9。

图8恒流时沉积速率和频率的关系从图8可以看出，沉积速率随着频率的增加而增加，而一般认为，沉积速率应该随着频率的增加而减小[6]，因为氩离子能量和频率的平方成反比例关系。

这里，沉积速率的增加是由于频率变化时电压的变化引起的。

从图9可以看到，在恒流15 A时，电压随着频率的升高而升高，由于氩离子能量在与频率的平方成反比关系的同时还和电压的平方成正比例关系，那么氩离子能量的变化就是频率和电压两者共同作用的结果，在所实验的条件下，两者比较最终电压的作用占了优势，就形成了图8中的沉积速率随频率的升高而增加。

电压随频率的升高而升高可能是由电源与孪生靶的工作过程引起的：恒流模式下，一个周期内电源先要击穿工作气体，然后才是正常放电，之后是暂停通电(即占空时间)，然后反向进行击穿、放电，电流的读数为一个周期内电流绝对值积分的平均值。

假设频率升高后电压没有变化，则由于击穿的时间没有变化，实际变化的只是正常放电时间在一个周期中的比例变小了，这样平均电流就会变小，所以为了恒定电流，就要升高电压，就形成了电压随着频率的升高而升高的现象。

4结论恒压、恒功率、恒流三种模式下，沉积速率稳定性恒流最好，恒功率次之，恒压最差；当气压不稳定时，恒功率与恒流能够起到稳定沉积速率的作用；恒流模式下，由于占空比升高时电压降低，频率升高时电压升高，所以沉积速率随着占空比的升高而减小，随着频率的升高而增大。