脉冲

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磁控溅射技术广泛应用于薄膜制备领域，可以制备工业上所需要的超硬薄膜、耐腐蚀耐摩擦薄膜、超导薄膜、磁性薄膜、光学薄膜，以及各种具有特殊电学性能的薄膜等[1~3]。

但传统的磁控溅射处理技术有很多的局限性，例如，直流磁控溅射靶功率密度受靶热负荷的限制，即当溅射电流较大时，过多的阳离子对靶进行轰击使溅射靶过热而烧损。

所以，传统的直流磁控溅射的溅射电流不能太大，一般在0.3~1A左右，溅射靶功率密度在50W/cm2。

近年来国外发展起来了一种高速率溅射—高功率脉冲磁控溅射(high power impulse magnetron sputtering(HIPIMS))技术，大大弱化了这种限制。

高功率脉冲磁控溅射的峰值功率是普通磁控溅射的100倍，约为1000~3000W/cm2，溅射材料离化率极高，且这个高度离子化的束流不含大颗粒。

对于大型磁控靶，更是可以产生兆瓦级溅射功率。

由于脉冲作用时间在几百微秒以内，故平均功率与普通磁控溅射相当，这样就不会增加对磁控靶冷却的要求。

一般溅射材料能级只有5~10电子伏特，而高功率脉冲磁控溅射材料能级最大可达100电子伏特。

高功率脉冲磁控溅射的瞬时功率虽然很高，但其平均功率并不高，一般在600W左右。

为了进一步提高脉冲磁控溅射的溅射速率，可以采用两步脉冲，第一步脉冲的功率密度与普通脉冲溅射相当，第二步则达1000~3000W/cm2。

但是，高功率脉冲磁控溅射存在打弧现象和脉冲起辉延迟。

为解决这些问题，近几年又发展了高功率复合脉冲磁控溅射技术，这种技术是将直流磁控溅射和高功率脉冲磁控溅射叠加起来。

其中的直流磁控溅射部分有两个作用：第一、离子预离化，使脉冲到来时脉冲起辉容易，缩短脉冲起辉延迟时间；第二、提够一个持续的直流溅射功率，提高了磁控溅射的平均功率。

所以，高功率复合脉冲磁控溅射同时具有直流磁控溅射和脉冲磁控溅射的优点。

现在，高功率脉冲磁控溅射技术已成为全世界磁控溅射领域的研究前沿和研究热点，高功率复合脉冲磁控溅射更是倍受关注。

国外关于高功率复合脉冲磁控溅射的研究和文献还较少，对其溅射机理、溅射规律和工艺优化都有待于更深入地研究，国内还没有这方面的研究报道。

为了促进高功率复合脉冲磁控溅射技术的发展，本文研制了一台用于该技术的高功率电源，将有助于了解复合脉冲作用下等离子行为，为高功率复合脉冲磁控溅射技术提供理论依据。

1.2磁控溅射
1852年Grove首次描述了溅射这种物理现象，20世纪40年代溅射技术作为一种
沉积镀膜方法开始得到应用和发展。

在70年代以来日益受到重视，并取得了很大的发展。

磁控溅射技术本质上是磁控模式下进行的二极溅射。

它的发展是从强化放电理论出发的，既收到了提高溅射速率的效果，又达到了降低基片温升的目的。

与其他成膜技术相比，磁控溅射技术具有沉积速率高、功率效率高、向基片的入射能量低、可以制备任意物质的薄膜等特点。

磁控溅射技术作为一种十分有效的薄膜沉积方法，被普遍和成功地应用于许多方面[4]，特别是在微电子、光学薄膜和材料表面处理领域中，用于薄膜沉积和表面覆盖层制备。

1.2.1磁控溅射原理
磁控溅射技术是在普通直流(射频)溅射技术的基础上发展起来的。

早期的直流(射频)溅射技术是利用辉光放电产生的离子轰击靶材来实现薄膜沉积的。

但这种溅射技术的成膜速率较低，工作气压高(2~10Pa)。

为了提高成膜速率和降低工作气压，在靶材的背面加上了磁场，这就是最初的磁控溅射技术。

磁控溅射法在阴极位降区加上与电场垂直的磁场后，电子在既与电场垂直又与磁场垂直的方向上做回旋运动，其轨迹是一圆滚线，这样增加了电子和带电粒子以及气体分子相撞的几率，提高了气体的离化离，降低了工作气压，同时，电子又被约束在靶表面附近，不会达到阴极，从而减小了电子对基片的轰击，降低了由于电子轰击而引起基片温度的升高[1]。

图1-1是磁控溅射仪的示意图。

溅射系统沉积镀膜粒子能量通常为1~10eV，溅射镀膜理论密度可达98%。

与蒸镀0.1~1eV的粒子能量和95%的镀膜理论密度相比，溅射镀薄膜的性质、牢固度都比热蒸发和电子束蒸发薄膜好[5]。

1.2.2磁控溅射特点
磁控溅射技术现在已经成为工业镀膜生产中最主要的技术之一，特别适合于大面积镀膜的生产。

磁控溅射技术得以广泛的应用，是由该技术有别于其它镀膜方法的特点所决定的，磁控溅射的特点如下[6]：
(1)可获得较大的离子轰击电流，靶表面的溅射刻蚀率和基片上膜的沉积速率都很高，因而沉积速率高、产量大；
(2)低能电子与气体原子碰撞几率高，气体离化率高，溅射效率高，向基片的入射能量低，避免了基片温度的过度升高；
(3)控制真空室中的气压、溅射功率，基本上可以获得稳定的沉积速率，通过精确地控制溅射镀膜时间，可获得均匀的高精度的膜厚，因此薄膜膜厚容易控制，且重复性好；
(4)可制备成靶材的各种材料均可作为薄膜材料，包括各种金属、半导体、铁磁材料，以及绝缘的氧化物、陶瓷、聚合物等物质，高熔点物质、介质和绝缘物质也容易成膜且制备的薄膜性能稳定、重复性好；
(5)溅射成膜的粒子能量较蒸发粒子高，因而与蒸发技术相比，由于物质是以高能态微粒形式(原子、原子团、带电粒子等)沉积在基片上，与基片之间的附着性好，薄膜密度高、针孔少、薄膜纯度高；
(6)由于磁控溅射电极采用不均匀磁场，等离子体产生局部收敛效应，致使靶材上局部位置的溅射刻蚀速率大，靶上产生显著的不均匀刻蚀，靶利用率不高。

磁控溅射能够在较低气压和靶电压下工作，提高膜层的沉积速率，降低基片温度，减小等离子体对膜层的破坏，在许多情况下，用它制备的薄膜特性远优于用其它物理气相沉积方法制备的薄膜[7]。

1.2.3磁控溅射研究现状
磁控溅射从70年代初的“常规磁控”技术发展到80年代的“非平衡磁控”技术、90年代的“非平衡磁控”技术与“多源闭合磁场”系统的结合以及现在的“可变场磁控”、“脉冲磁控”技术(PMS)、和“复合磁控”技术。

人对此作了详细的叙述[8])，可谓发展迅速。

现在，高速率磁控溅射、脉冲磁控溅射和自溅射是磁控溅射领域的研究热点。

与国外相比，国内的磁控溅射技术的发展相对滞后。

从磁控溅射使用的电源种类分类，磁控溅射可分为直流磁控溅射、射频磁控溅射、中频脉冲磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射以及高功率直流、脉冲复合磁控溅射(简称高功率复合脉冲磁控溅射)，各种溅射方法的研究现状介绍如下：
(1)直流溅射(DC Magnetron Sputtering)、射频溅射(RF Magnetron Sputtering)。

直流溅射和射频溅射(f=13.56MHz)是很早就开始应用的溅射技术，在二极溅射系统中已经被采用，直流溅射方法用于被溅射材料为导电材料的溅射和反应溅射镀膜中，其工艺设备简单，有较高的溅射速率[9]。

而对陶瓷等介质材料靶，则只能采用射频磁控溅射方法沉积薄膜，射频磁控溅射方法能对任何材料包括各种导体、半导体和绝缘介质进行溅射镀膜。

直流反应溅射则可以使用导体及高掺杂半导体材料作为靶材，沉积介质薄膜，有较高的溅射速率。

(2)脉冲溅射(Pulsed Magnetron Sputtering)和中频溅射(Medium Frequency Magnetron Sputtering)
反应溅射沉积介质薄膜过程中，通常会出现阳极消失、阴极中毒、放电打弧问题，破坏了等离子体的稳定性，使沉积速率发生变化，导致溅射过程难以控制，限制
了直流反应磁控溅射技术在介质膜沉积中的应用。

近几年来发展起来的脉冲溅射和中频溅射技术可以在反应溅射绝缘介质薄膜的过程中，释放靶表面积累的电荷、防止放电打弧的现象，并具有溅射速率快、沉积速率高等优点。

脉冲磁控溅射(10~350kHz)已经成为公认的作为绝缘材料沉积的优选的工艺过程[10]，该技术使用的脉冲电源输出电压波形是非对称的双极性脉冲，脉冲电源的正向脉冲对于释放靶表面的积聚的电荷、防止打弧是有效的，脉冲工作方式在沉积中提供稳定无弧的工作状态。

最近的研究表明脉冲的磁控管放电也能够导致比连续的直流放电更热、更高能等离子体。

脉冲磁控溅射扩大沉积材料的范围，在薄膜性能上有重大的提高，脉冲的频率和占空比根据介质化合物的性质可以改变。

中频交流磁控溅射在单个阴极靶系统中，与脉冲磁控溅射有同样的释放电荷、防止打弧的作用。

中频交流溅射技术还应用于孪生靶(Twin-Mag)溅射系统中，中频交流孪生靶溅射是将中频交流电源的两个输出端，分别接到闭合磁场非平衡溅射双靶的各自阴极上，因而在双靶上分别获得相位相反的交流电压，一对磁控溅射靶则交替成为阴极和阳极。

孪生靶溅射技术大大提高磁控溅射运行的稳定性，可避免被毒化的靶面产生电荷积累，引起靶面电弧打火以及阳极消失的问题，溅射速率高，为化合物薄膜的工业化大规模生产奠定基础[11]。

此外也有采用中频脉冲电源作为孪生靶溅射电源。

孪生靶溅射系统成为目前化合物薄膜溅射镀膜生产的理想技术[12~14]。

最近在中频电源上又提出短脉冲组合的中频双向供电模式，进一步提高运行稳定性。

(3)高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)
近几年发展起来的高功率脉冲磁控溅射(high-power impulse magnetron sputtering(HIPIMS)，也可称为high-power pulsed magnetron sputtering(HPPMS))不仅可提高溅射速率，同时也能改善膜层质量，使磁控溅射的工业化应用进程大大加快。

高功率脉冲磁控溅射与传统的直流磁控溅射存在以下几点不同：
①传统的直流磁控溅射利用交错电磁场中的电子发射，其最大的靶功率密
度可达300W/cm2，但正常工作时典型靶功率密度一般小于50W/cm2。

高功率脉冲磁控溅射利用辉光放电，在平均靶功率密度较低情况下，瞬间靶功率密度可达到900W/cm2。

②高功率脉冲磁控溅射的瞬间等离子体密度比直流磁控溅射高出几个数量级，沉积速率远远高于直流磁控溅射[16~19]。

③直流磁控溅射在基体加有负偏压下离子电流密度一般小于10mA/cm2，而高功
率脉冲磁控溅射的离子电流密度成倍增长[20]。

④直流磁控溅射基体附近的离子电流由惰性气体离子和百分之几的溅射靶离子组成，而高功率脉冲磁控溅射的等离子体中溅射靶离子的数量得到大大提高[21]。

J.T.Gudmundsson[22]等人用高功率脉冲磁控溅射在平均靶功率300W，探针距靶9cm处测得电子密度达到了4×1018/cm3。

与直流磁控溅射在试样处(离靶5~10cm)的等离子体密度只有1015~1016/m3相比有明显增加。

W.M.Posadowski[23]采用直径50mm和100mm的Cu磁控靶，在靶功率密度达到1000W/cm2的高功率脉冲磁控溅射下，用不同工艺参数研究了等离子体的电子温度Te和电子密度ne的大小。

研究表明，在磁场强度350G，靶电流3A时，电子温度Te为1.25eV，电子密度ne为6.1×1016/m3；磁场强度350G，靶电流18A时，电子温度Te为0.66eV，电子密度ne为6×1017/m3。

Jin-Hyo Boo[24]等人使用脉冲直流磁控溅射的方法在Si(100)基体和玻璃基体上沉积了Cu膜，沉积温度分别为573K和753K。

在靶功率密度为1.5×104W/m2时沉积速率达到2.8um/min，是传统直流磁控溅射的5倍，溅射产率达到70%。

P.Eh.Hovsepian[25]等人用高功率脉冲磁控溅射成功地在钢表面制备了4nm双层厚度的钠米多层超晶格CrAlYN/CrN膜。

膜层表面粗糙度低(Ra=0.036um)，膜基结合力高(Lc=65N)，薄膜磨粒摩擦系数低(u=0.42)，干滑移摩擦系数低.
Reinhard[26]等人分别用高功率脉冲磁控溅射和阴极弧离子镀工艺在304L不锈钢表面沉积了CrN/NbN膜。

研究表明：高功率脉冲磁控溅射沉积膜层致密，无液滴和生长缺陷，膜层为外延式生长，膜基结合力(高功率脉冲磁控溅射Lc=56N，阴极弧离子镀Lc=45N)得到提高，薄膜与基体间界面清晰分明。

V.Sittinger[27]等人用高功率磁控溅射技术沉积了一层透明传导膜层，研究表明，用高功率磁控溅射膜可以沉积出膜层厚度小，表面粗糙度和电阻率低的高质量薄膜。

J.Alami[28]等人用高功率脉冲磁控溅射的方法，采用Ti3SiC2化合物靶沉积了Ti-Si-C薄膜。

薄膜微观组织结构致密而扁平，而用直流磁控溅射沉积的薄膜粗糙、多孔。

XRD 显示，所沉积的Ti-Si-C薄膜主要组成物是TiC，其次还有无定形SiC存在。

实验表明，用高功率脉冲磁控溅射的方法沉积的薄膜表面光滑致密，大大优于直流磁控溅射工艺。

(4)高功率复合脉冲磁控溅射
低气压下，高功率脉冲磁控溅射等离子体的点燃时间增长，等离子体起辉时间滞
后脉冲电压到来时间，大概是几个微妙；其次，高功率脉冲磁控溅射存在打弧现象。

为此，人们提出在有外部离子预离化的情况下再施加脉冲电流，一般用直流磁控溅射电源进行离子的预离化。

研究结果表明，高功率复合脉冲磁控溅射的工艺方法使脉冲磁控溅射电源起辉变得更加容易和稳定，并可解决高功率脉冲磁控溅射存在的其它问题。

P.V aˇsina[29]等人用一台脉宽1~60μs，脉冲电压500~1200V，频率1000Hz的高功率脉冲磁控溅射电源与与一台用于离子预离化的直流电源复合，用复合脉冲磁控溅射技术研究了这种改进工艺下的溅射电压、电流波形，以及这种新工艺的优点，离子预离化使用直流电流为几毫安。

研究表明，高功率复合脉冲磁控溅射技术解决了单一高功率脉冲磁控溅射存在雪崩延迟时间长和打弧概率高的问题，且溅射速率和单一高功率脉冲磁控溅射相同。

Kouznetsov[30]等人研制了一台直流、脉冲复合高功率磁控溅射电源并申请了专利。

他们的研究结果表明，直流、脉冲复合高功率磁控溅射可以在低于20Hz的脉冲频率下连续起辉，从而解决了高功率脉冲磁控溅射在20Hz下无法起辉的问题。