CN100587107C - 带有预电离的脉冲式磁控管溅射沉积 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在装着磁控管阴极(CM)的磁控管反应器(1)中于基片(11a)上沉积至少一种的材料，在脉冲方式下离子化的气体的帮助下通过磁控管阴极雾化所述材料蒸发。为了促进形成持续时间短的高电流脉冲同时避免形成电弧以便能有效地离子化雾化蒸气，在对磁控管阴极(CM)施加主电压脉冲之前预电离气体，从而能生成在主电压脉冲(VP)截止后衰减时间(Td)小于5μs的电流脉冲(CP)。

Description

带有预电离的脉冲式磁控管溅射沉积
技术领域
本发明总地涉及在基片上沉积通过磁控管溅射蒸发的材料。本发明的目的是一种用来通过脉冲式磁控管溅射在基片上沉积至少一种的材料的新颖工艺，一种用于磁控管的新颖脉冲式电源，以及一种装备着所述脉冲式电源的磁控管。
背景技术
通过磁控管溅射在基片上沉积材料的技术是已知的并且从1970年代迅速发展。
例如在P.J.Kelly和R.D.Arnell的“Magnetron sputtering：areview of recent developments and applications”(VACUUM 56(2000)159-172页)一文中说明迄今知道的这种沉积方法和它的主要改进。
简言之，通过磁控管溅射在基片上沉积材料的技术通常包括利用从放电(等离子体)发出的离子轰击目标，该目标构成磁控管反应器的阴极并且由要沉积的材料做成。该离子轰击造成在靠近磁控管的目标附近设置的基片上以薄膜的形式用要沉积的原子或分子的“蒸气”溅射目标，其中该基片可以是静止的或移动的。
在惰性方式下，用来形成等离子体的气体是惰性气体，例如氩。在所谓的“活性”方式下，通常利用搀入在惰性气体中的气体生成化合物，取决于情况该化合物可以是或不是导电的。对于钛阴极目标，例如利用氩/氮混合物作为活性气体以形成氮化钛(TiN)化合物，其是导电的，或者，利用氩/氧混合物形成不导电的二氧化钛(TiO2)化合物。
不论使用哪种气体，实质上通过放电产生的电子的碰撞使原子电离。在目标附近还建立磁场，其捕捉在气体中形成的电子，从而在目标的表面附近形成离子化更高的等离子体。
磁控管溅射处理是在低压(典型地在0.1Pa和几Pa之间)下进行的。结果是，离子在至阴极目标的路径上不历经或者很少历经碰撞，从而提高溅射的效率。这种低压还能通过减少溅射的原子或分子间的碰撞次数并且相应地减小溅射颗粒(原子或分子)的偏离过程的幅值和/或动能的损失更容易地把溅射材料运送到基片上。
在非常不同的应用领域，例如微电子(沉积用于互连的金属以及沉积用于MOSFET结构的介质)、光电子(压电基片制造)、机械工程或连接器技术(沉积抗磨涂层，防蚀涂层等)以及玻璃工业(功能层)中，上述通过磁控管溅射在基片上沉积材料的技术尤其适用于本质上按薄膜沉积各种各样的材料。沉积的材料可以是导电的金属材料或化合物和绝缘陶瓷，它的类型包括氮化物、氧化物、碳化物、氮氧化合物等。
和其它已知的涉及蒸发的沉积技术(热蒸发和沉积工艺，尤其采用感应加热的工艺，或者电子束或电弧蒸发沉积工艺)相比，磁控管溅射具有方向性更强的优点，因为后者具有垂直于阴极目标的相对开放的发射管并且溅射颗粒发射速度可以有益地更高。
在上述磁控管溅射沉积技术中，最初通过对阴极施加直流电压或者通过射频(RF)激励气体稳态方式地在等离子体中形成放电。
稳态方式下磁控管溅射技术的限制通常是沉积的薄膜的品质通常不足尤其是多孔、对于具有复杂几何形状的沉积表面的基片难以得到均匀的沉积以及沉积速度相对低(典型地1μm/小时量级)。更具体地，对于所沉积的薄膜的品质，在稳态(直流或RF)方式下常常观察到不合适地形成电弧，这造成以小滴的形式把材料射到目标上，它们沉积在基片上，从而不利地在涂层上形成缺陷。
另外，在通过磁控管溅射沉积绝缘材料的情况下，只采用RF激励是相对复杂的并且难以控制该工艺。另外，溅射速度明显下降。
为了改进通过磁控管溅射的绝缘材料，尤其是诸如氧化铝的氧化物的沉积，已经提出使磁控管放电脉冲化(参见上述P.J.Kelly和R.D.Arnell的文章，标题为“脉冲式磁控管溅射”的166-168页/第七节)。这样，按照该脉冲方式技术，出于在等离子气体中形成脉冲式放电电流(电流脉冲)以离子化气体并且形成高离子化等离子体(以下称为“主”等离子体)的目的，对磁控管阴极施加电压脉冲。
在该文中具体指出通过在大于千赫情况下，尤其在20千赫-100千赫的频率范围内，使磁控管放电脉冲化，能避免由于绝缘层毒害目标而产生的形成电弧。同时还改进沉积速度(在10μm/小时量级附近)。
该文还指出，为了限制会造成电弧的目标毒害引起的表面充电，“接通”脉冲的持续时间必须受限制(适配)，而在“断开”脉冲期间表面充电是抵消的。
更具体地，确定出当“断开”脉冲的持续时间接近或等于“接通”脉冲的持续时间时观察到最有效地抑制电弧。在给出的示例(图12)中，“断开”脉冲的持续时间代表总周期时间的约10％并等于5μs，“接通”脉冲的持续时间为45μs。在这些条件下，平均电流只略小于(按10％)脉冲电流。
更近期，例如在美国专利6296742(Kousnetsov)已经提出通过使用非常高的瞬时功率(0.1千瓦-1兆瓦)的脉冲改进脉冲方式的磁控管溅射沉积技术以便有效地离子化溅射蒸气，其中使阴极附近的气体(等离子体)达到高离子化状态产生该非常高的瞬时功率(美国专利6296742的图1中的S8运行区段)。
美国专到6296742解释，这种办法能允许对阴极施加高电压同时防止电弧的形成。实际上，发现这种办法的实现伴随着形成对沉积薄膜的品质不利的电弧。可以通过气体在到达高离子化状态之前必须通过电弧放电区(美国专利6296742的图1的区段S7)这一事实解释这种不合适的电弧的形成。但是，本申请小组不依赖这种解释。
使用脉冲式磁控管溅射沉积技术下，如果希望提高气体中产生的放电的瞬时功率，必须尽可能短地(典型地小于50μs，更具体地小于20μs并且小于5μs更好)对阴极施加电压脉冲)。这是因为已经发现通过减小电压脉冲的持续时间可以减小不合适的电弧形成的风险。
但是，本发明小组证实减小施加在阴极上的电压脉冲的持续时间造成二个不适于在气体中形成电流脉冲的缺点。这二个缺点和相对于电压脉冲形成电流脉冲的衰减时间，即对磁控器阴极施加电压脉冲到开始在气体内形成电流脉冲所经过的时间相关。该衰减时间是因为要形成电子雪崩需要时间。
第一缺点：过分长的衰减时间
在最坏情况下，上述衰减时间变得比电压脉冲的持续时间长。在此情况下，不会形成普通脉冲。如果该衰减时间比电压脉冲短，但是电流脉冲不具有在电压脉冲结束之前正确发展的时间，后果是形成低幅值的电流脉冲，并且从而不适合形成低功率放电。简言之，衰减时间相对于电压脉冲的持续时间越长，电流脉冲的幅值越低(如果衰减时间比电压脉冲的持续时间长该幅值实际上变成零)。
第二缺点：衰减时间波动
第二个缺点是衰减时间的明显波动，造成正在形成的电流脉冲随时间是不稳定的和复现性差。该缺点使沉积过程是随机的和不可重复的。
发明内容
通过提供一种尤其能减轻上述缺点并且同时仍保证溅射蒸气有效离子化的新颖解决办法，本发明旨在改进已知的通过脉冲式磁控管溅射沉积材料的工艺。
更具体地，本发明的目的是提出一种通过脉冲式磁控管溅射沉积材料的工艺，该工艺能在随时间的良好稳定性和良好复现性情况下优选地为高功率地生成放电并且同时还减小形成电弧的风险和减小在阴极上重复沉积溅射的材料的风险。
通过本发明的方法达到上述目的。该方法在以下方面是已知的：在带有磁控管阴极的磁控管反应器中通过磁控管溅射蒸发材料并且通过脉冲方式下使用经对该磁控管阴极施加主电压脉冲离子化的气体(主等离子体)在基片上沉积至少一种的所述材料。
本发明的特征在于，在每个主电压脉冲之前，预电离所述气体从而产生其衰减时间在截断主电压脉冲后短于5μs并且最好短于1μs的电流脉冲。
在本发明之前，在国际专利申请WO 02/103 078中已经提出在磁控管反应器中借助电压脉冲之前的直流电流通过先预电离状态生成脉冲等离子体的方法。
但是，该国际专利申请WO 02/103 078首先不应对生成的电流脉冲随时间的稳定性和复现性问题。
其次，国际专利申请WO 02/103 078中使用的电源采用一种包括和磁控管阴极串联的电感器组(L1，L2)的并且更具体地能限制放电电流(第22页行2)的电路，根据该发布的讲授(第22页，行2和3)，电感器(L1)的电感必须足够高以产生预电离电流。但是，串联地使用该电感器(L1)对电流脉冲是不合适的。这是因为它引入时间常数，其不合适地增加电流脉冲的截止时间(即电压脉冲截止后电流脉冲的衰减时间)。实际上，在这种类型的电源下，电流脉冲的截止时间长并大于10μs。这样，和本发明不同，利用国际专利申请WO 02/103 078中说明的技术办法，不可能为电流脉冲得到非常短的截止时间，即使截止时间短于5μs并且短于1μs更好。
现在，本发明人已经能证明，为了得到在基片上沉积溅射材料的最佳条件，生成截止时间非常短的电流脉冲是最为重要的。具体地，已经显示在长的截止时间(＞10μs)(例如利用国际专利申请WO 02/103078说明的技术办法得到的截止时间)情况下，会增加和自溅射关联的在阴极上重复沉积溅射材料的风险，从而降低基片上的沉积速度。由于本发明，即使不是防止也能非常明显地减小和自溅射关联的在基片上重复沉积的现象，这是有益的。
依据本发明在每个主电压脉冲之前气体预电离还在磁控管反应器中形成初始等离子体，其有益于减小电流脉冲相对于主电压脉冲的衰减时间并且能使该衰减时间波动不大。和不带有预电离的工艺相比，由此产生瞬时功率更高的脉冲式放电并且平均功率随时间是相对固定的。这样，由于本发明的工艺，电流脉冲的形成是有利的(稳定的和/或加速的)。
在带有短主电压脉冲的脉冲工作方法下该预电离是特别有益的，其还有益地能减小形成不合适的电弧的概率。
预电离的另一个作用是在磁控管中于阴极和基片之间形成充足的自由电子密度，这有利于把离子化材料的蒸气运送到基片上。
本发明方法的另一个重要优点是到达基片的离子的高离子化状态。由于该预电离，到达基片的蒸气的离子化程度达到大于10％，并且最好大于70％。通过下述二篇文章之一中说明类型的吸收光谱学方法测量基片附近的离子化程度：
-S.Konstant inidis，A.Ri card，M.Ganciu，J.-p.Dauchot，M.Wautelet，and M.Hecq，″A study of anionized magnetron source by pulsed absorptionspectroscopy″，Proceedings of the 46th Annual TechnicalConference of the Society of Vacuum Coaters，publishedby the Society of Vacuum Coaters，Albuquerque，NM，USA(2003)，452；以及
-O.Leroy，L.de Poucques，C.Boisse-Laporte，M.Ganciu，L.Teulé-Gay and M.Touzeau″Determination oftitanium temperature and density in a magnetron vaporsputtering device assisted by two microwave coaxialexcitation systems″J.of Vacuum Science & TechnologyA：Vacuum，Surfaces，and Films，22(2004)，192.
由于本发明，通过得到到达基片的高离子化程度的蒸气，能有益地改进基片上沉积的薄膜的品质(尤其是沉积薄膜的粘性更好和致密性更好)。
依据本发明实现的预电离的另一个优点是，基片的表面调整(预沉积，烧蚀，极化)能够根据设想的应用调节沉积的薄膜(粘性，结构，均匀性)。在微电子领域中该优点例如是特别有益的。
依据本发明，可以在每个主电压脉冲之前以几个不同的方式预电离气体。
依据第一实现方法，通过对磁控管阴极施加预电离电压使气体预电离。该预电离电压最好是直流电压，但也可以是脉冲电压，关键在于施加为形成主等离子体的主电压脉冲之前有效地预电离气体(形成初始等离子体)。
在第二实现方法下，通过RF激励气体使气体预电离。
在第三实现方法下，通过对气体的微波激励或者通过任何其它在阴极和阳极之间的空间产生足够的自由电荷密度的手段使气体预电离。例如，在对着阴极的磁化区的情况下，该密度(利用电子密度以及从等离子体提取的离子流密度之间的关系估计)最好大于108cm-3并且大于109cm-3更好。
在第四实现方式下，通过高到足以在每个电压脉冲上形成稳定电流脉冲的脉冲重复频率确保该预电离，这样以使用二个相继脉冲之间的残留电子密度。
在本发明的语境内，可以在单脉冲方式下或者在多脉冲方式，即在至少二个紧密间隔脉冲的相继序列中生成脉冲，下对磁控管阴极施加用来形成主离子体的主电压脉冲。
不论实现气体预电离的方法是什么并且不论脉冲方式(单脉冲式或多脉冲)是什么，主电压脉冲的持续时间最好短于50μs，更具体地短于20μs，在1μs和10μs之间更好。更具体地，脉冲的频率(单脉冲方式下)或者紧密间隔的脉冲序列的频率不超过100千赫并且最好大于50赫。
本发明的其它目的是依据本发明的用于磁控管反应器的新颖脉冲式电源以及装备着该脉冲式电源的磁控管反应器。
附图说明
通过下面的对实现本发明的工艺的各种方法的说明本发明的其它特征和优点会变得更加清楚，该说明是通过本发明的不排它、不受限的例子并且参照附图说明的，附图中：
图1示意示出带有本发明的脉冲式电源的磁控管反应器；
图2是本发明的脉冲式电源的示范实施例的电路图；
图3分别示意示出单脉冲工作方式下磁控器阴极上测到的电压(U)以及通过磁控器阴极的电流(I)的波形图；
图4至17是在后面详细说明的各种工作条件下通过从示波器的屏幕转储得到的控制信号(S)以及上述电压(U)和电流(I)的实际波形图；以及
图18示意示出本发明的利用RF回路进行预电离的磁控管反应器的另一实施例。
具体实施方式
图1的磁控管反应器(1)的基本图
图1示出装着依据本发明的脉冲式电源2的磁控管反应器1的基本图。
磁控管反应器1本身是已知的。现简单回顾它的结构和它的总操作。
磁控管反应器1在其本身已知的方式下实质上包括一个沉积室10，该室中安装一个阴极，以下称之为磁控管阴极MC。设计成容纳基片11a的基片保持器11安装成对着该磁控管阴极MC并且离开它一定距离。室10还具备有用于引入气体或气体混合物的吸入系统12，气体或气体混合物一旦离子化会形成等离子体。磁控器阴极是由材料样品形成的，希望在基片11a上以薄膜形式沉积该材料。
通常并且以自身已知的方式，电源2操作上能对磁控管阴极MC施加负电压，这在沉积室10中的气体内产生放电，造成产生通过磁控管阴极MC的放电电流并且造成气体的高度离子化(形成主等离子体)。该主等离子体的离子以高到足以使磁控管阴极MC表面溅射的速度轰击磁控管阴极MC的表面(目标)。从而，在室10内形成阴极MC的构成材料的蒸气，该蒸气以薄膜沉积在基片11a的表面上。
还有阴极MC的下表面水平上设置建立永久磁场的磁铁13，该磁场的主要作用是在磁控管阴极的附近捕获和吸持主等离子体的电子。从而该磁场能在磁控管阴极MC的附近形成并且保持一个更高离子化的磁化等离子体。
图2的电源(2)的结构
图2示出依据本发明的脉冲式电源2的一示范实施例的电路图。
本发明中使用的该电源设计成具有连续或脉冲式预电离的优点。
该电源2包括：和磁控管反应器的阴极MC连接(以其本身知道的方式)输出端(Out)，用于在该输出端(Out)上生成主电压脉冲的第一装置(S0，PG，PT，T，S1，C1，R1，D1，D3)，以及用于和主电压脉冲同时在输出端(Out)上生成预电离电压的第二装置(S2，R，D)。
更具体地，在图2中示出的实施例例子下，上述用于生成主电压脉冲的第一装置包括：
直流电压源S1(发出作为输出的负电压HT)；
用来生成控制脉冲的装置(S0，G1，T1)；
安装在直流电压源S1和该输出端(Out)之间的开关装置T；以及
在开关装置T和输出端(Out)之间串联连接的电阻器R1和隔离二极管D1。
开关装置T和电阻器R1之间的接点还通过隔离二极管D3和地连接。电压源S1的输出端还通过电容器C1和地连接。
该用来生成控制脉冲的装置更具体地包括：
发出方波型和频率及占空比可变的控制信号S的电源S0；
由控制信号S触发的脉冲发生器PG；以及
控制开关装置T的脉冲变换器。
在该示出的例子中更具体地，开关装置T是一个IGBT式双极型结晶体管，其控制极经脉冲变换器RT和脉冲发生器PG耦合。
仅当晶体管T导通时，直流电压源S1才能通过和阴极MC串联连接的电阻器R1和操作二极管D1向磁控管阴极MC施加负电压。
上述用来生成预电离电压的第二装置包括通过串联的电阻器R和隔离二极管D与输出端(Out)连接的直流电压源S2。电源S2发出作为输出的直流负预电离电压PHT。
另外开关SW和电源S2的输出端串联连接。当开关SW闭合时，负预电离电压PHT经电阻器R和隔离二极管D施加到磁控器阴极MC上。
上述开关SW是选用的并且实质上用于能完成比较检查(参见下面对图4等等的说明)。
开关SW的工作是：
断开开关SW-磁控管反应器只在脉冲方式下操作(常规操作)；以及
闭合开关SW-依据本发明的在脉冲方式下叠加稳态方式的操作，这使得能得到所需的对气体的预电离(在此情况下，对磁控管阴极MC施加负的直流预电离电压)。
为了产生依据本发明的电源，可以用业内人士知道的任何等效装置，即由电信号控制的任何快速开关装置替代晶体管T，后者在图2的例子中是IGBT晶体管。例如但不排它的可以用Behlke开关替代晶体管T。
电源(2)的操作/图2和3
现在参照图2并且还参照图3解释电源2的操作。图3示意示出在磁控管阴极MC和地之间测到的电压U以及经过磁控管阴极MC的放电电流I的波形图例子。在下面说明阶段I到IV中，认为电源2的开关SW是闭合的。
阶段I/预电离(图3)：
晶体管T处于断开状态。只有负预电离电压PHT经限流电阻器R施加到磁控管阴极MC上。该负的直流电压在气体内生成连续放电，造成直流预电离电流IP通过磁控管阴极MC、隔离二极管D和电阻器R。
阶段II：
在预电离第一阶段I之后，通过脉冲发生器PG控制晶体管T的控制极(晶体管T处于接通状态)，从而短暂地允许负电压HT经限流电阻器R1和隔离二极管D1施加到磁控管阴极MC上。因此，持续时间为tp的主电压脉冲VP施加到阴极MC，从而造成主电流脉冲CP通过磁控管阴极MC。在相对于启动电压脉冲VP的短衰减时间Δ的方式生成该主电流脉冲CP。
阶段III：
重新断开晶体管T(通过脉冲发生器PG反向切换该晶体管)。不再对磁控管阴极施加高的负电压HT(主电压脉冲结束)。只通过磁控管反应器1的等效电感器L中积累的电感能维持电流I。电流I按大约等于L/RE的时间常数减小，其中RE是一个等效串联电阻并且RE的下频带受电阻器R1的阻值的限制。由于等离子体的非线性阻抗造成RE和R1的差。晶体管T切换后二极管D3(图2)让电流I通过并且同时防止该晶体管上出现过电压。
阶段IV：
脉冲电流停止后，由于磁化等离子体的高离子化状态，磁控管反应器1的阻抗保持低。由此，对于同样的直流预电离电流Ip，磁控管阴极上的电压U短时间保持低。随着磁化等离子体的离子化程度的下降，磁控管反应器1的阻抗增大并逐渐返回到上述预电离阶段I的初始状态。
在对预想的应用固定的重复频率f下重复该循环。
R1、C1和R的选择
对于电源2的正确操作电阻器R1的选择是重要的。在满足下面二个相反的限制下作出选择：
阶段III期间电流脉冲CP的衰减时间Td(见图3)必须尽可能地短(和主电压脉冲VP的持续时间tp相比)。更具体地，R1的阻值选择成使衰减时间Td(电流截止时间)小于5μs并且最好等于或小于1μs，这大约对应于把L/R1比选为小于2.5μs并且最好等于或小于0.5μs。这样该限制能把电阻器R1的最小阻值置为适应磁控管反应器1以及连接器的给定等效电感L；以及
R1的阻值必须不会过高从而会限制阶段II期间生成的最大电流Imax(图3)。实际上把R1选择成在所有情况中使电流Imax例如小于磁控管反应器的最大工作电流的二倍，从而避免磁控管反应器异常操作的任何风险。
最好把该电源调节成满足下述条件中的一个或二个：
-最大预电离电流密度(在目标上即磁控管阴极上)在0.05mA/cm2和100mA/cm2之间；
-最大电流密度(目标上)大于0.1A/cm2并且最好大于1A/cm2；以及
-电流上升时间小于20μs，尤其小于1μs。
低串联电感的电容器C1选择成在上述阶段II期间得到脉冲式电流并且在该施加的脉冲的期间仍在磁控管阴极MC上保持适当的高电压U。
电阻器R选择成规定并且限制初始预电离电流。
在上述作为本发明的非限制性代表给出的示范实施例中，电压HT的最大值为-1100伏。电压PHT的最大值为-1100伏。磁控管反应器1的等效电感L大约具有0.5μH的值，电阻器R1的值为5欧，从而Td约为0.1μs，电阻器R的值为300千欧而电容器C1的值为10μF。
对比试验：不带预电离的脉冲方式和带预电离的脉冲方式(图4 到17)
利用上面参照图1至3说明的磁控管反应器1和电源2进行对比试验，以便证明预电离对阶段II期间电流脉冲CP的形成的有益作用，尤其是对电流脉冲的衰减时间Δ、它的最大密度Imax以及电压脉冲VP和电流脉冲CP随时间的稳定性的有益作用。
所有试验共同的主条件如下：用来形成等离子体的气体是氩；阴极(目标)用钛做成。磁控管反应器的室(10)内的压力为10mTorr(即，1.33Pa)。
对于每次试验通过示波器同时拾取下面三个信号(见图4至17)：
(S)：发生器S0发出的控制脉冲；
(I)：通过磁控管阴极(MC)的电流；以及
(U)：磁控管阴极(MC)和地之间测到的电压。
每次都在对比方式进行试验[参见下面的表的列(2)]：
-不施加预电离电压[开关SW打开/图4，6，8，10，12，14，16]；以及
-施加直流预电离电压(PHT)[开关SW闭合/图5，7，9，11，13，15，17]。
对于所有带有预电离的试验，直流预电离电压(PHT)为-1000伏并且直流偏置电流Ib约为3.3mA。应指出，由于用来测量I的幅值标度，在图5、7、9、11、13、15、17的波形图中看不到非常低的预电离电流Ip。
在单脉冲方式下(图4至7和图12及13)以及在多脉冲方式，即产生二个间隔很小的电压脉冲UP连续序列情况下(图8至11和图14至17)进行对比试验。
在下面的表中综合这些试验的主要可变参数和结果。在该表中，持续时间tp[列4]对应每个主电压脉冲VP的宽度；持续时间Tp[列5]对应双脉冲方式(即，二个间隔很小的电压脉冲的连续序列)情况下隔开每个脉冲序列中的二个脉冲的时间；频率f[列6]对应电压脉冲VP的重复频率(单脉冲方式下)或者在双脉冲方式下对应于二个间隔很小的脉冲VP序列的重复频率；衰减时间Δ[列7]测量电流脉冲CP的开始与电压脉冲VP的开始之间的间隔时间。下表中报告的Imax和Umax的值[列8和9]分别代表电流脉冲和电压脉冲的最大幅值；并且在双脉冲方式下，在脉冲序列的第一脉冲上测量这些幅值(Imax和Umax)。
表/对比结果
  图 预电离？   方式   时间(T<sub>p</sub>)单位μs   时间(T<sub>p</sub>)单位μs  频率(f)，单位Hz   衰减时间(Δ)单位μs   I<sub>max</sub>单位A   U<sub>max</sub>单位V
  4   否   单脉冲   10   /   50   /   10   -1000
  5   是   单脉冲   10   /   50   ＜＜Δ(图4)   90   -900
  6   否   单脉冲   10   /   100   3.6   80   -1000
  7   是   单脉冲   10   /   100   1.2   75   -900
  8   否   双脉冲   10   48   50   /   10   -950
  9   是   双脉冲   10   48   50   /   90   -1000
  10(<sup>＊</sup>)   否   双脉冲   10   48   50   /   20   -1000
  11(<sup>＊</sup>)   是   双脉冲   10   48   50   /   90   -1000
  12   否   单脉冲   5   /   50   /   30   -1000
  13   是   单脉冲   5   /   50   ＜＜Δ(图12)   60   -1000
  14   否   双脉冲   5   23.8   100   (<sup>＊＊</sup>)   0   -1000
  15   是   双脉冲   5   23.8   100   /   60   -1000
  16(<sup>＊</sup>)   否   双脉冲   5   23.8   100   (<sup>＊＊</sup>)   0   -1000
  17(<sup>＊</sup>)   是   双脉冲   5   23.8   100   /   60   -1000
(＊)包络形式下的示波器；(＊＊)无第一电流脉冲。
通过分析图4和5非常清楚，在不存在预电离下(图4)电流脉冲相对于电压脉冲具有长的衰减时间，这造成电流脉冲幅值非常低，而在带有预电离的相同操作条件下，快得多地得到电流脉冲(非常短的Δ)并且相应地其带有大的幅值，从而，在带有预电离的脉冲方式下操作，气体内生成的放电的功率有益地明显地高。在不带有预电离的某些情况中，甚至衰减时间Δ最终大于电压脉冲的宽度(tp)，这对应于几乎不存在电流脉冲。
参照图6(f＝100赫)，在不存在预电离下比起图4(f＝50赫)的情况更显著地形成电流脉冲，但是和重复频率相同(f＝100赫)并且带有预电离的操作(图7)相比，电流脉冲出现得晚(图6：Δ＝3.6μs/图7：Δ＝1.2μs)。在无预电离下，自由电荷的密度非常低从而形成足够密度的等离子体以产生用于溅射的有用电流所需要的时间过长。预电离允许快得多地达到磁近管电流饱和阶段。
参照图8，在无预电离的双脉冲方式下，第一电流脉冲出现晚并且因此幅值非常低(和单脉冲方式的图4类型的情况)。在图14的情况下(f＝100赫，Tp＝23.8μs)，可以看出当不存在预电离时完全没有第一电流脉冲。相对比，通过进行预电离(图9和15)，可以看出非常快地并且幅值大地形成第一电流脉冲。另外，带有预电离下，第二电流脉冲有益地具有比无预电离下生成的第二电流脉冲大的幅值。
图10和16(无预电离的双脉冲方式/包络形式下的示波器)示出电流脉冲CP和电压脉冲VP随着时间的非常大的不稳定性，这随时间损害在基片上沉积材料的品质和复现性。相对比，预电离情况下(图11和17)，应注意电流和电压脉冲(CP和VP)时间上是非常稳定的，从而在时间上有益地达到更好的复现性和更高的稳定性。
本发明不受上述实现例子的限制，尤其在上面对电源和磁控管说明的电参数上。对于在每个例案的基础上设计和调整用于给定磁控管的电源的业内人士，例如借助示波器观察电流I和电压U曲线并且通过修改预电离可以达到期望的效果，尤其是在电流脉冲的衰减时间和/或幅值和/稳定性等等方面上，以便达到到达基片上的蒸气的期望离子化程度。在活性气体下操作的情况中，还可以调整预电离以限制目标毒害效应。
更概括地，可以通过业内人士已知的任何手段在施加每个电压脉冲VP之前达到气体的预电离。更具体地，可以通过足够高的脉冲重复频率从而利用相继脉冲之间的残留电子密度得到预电离。
做为非限制性例子，在主脉冲等离子体之外借助形成等离子体、借助RF激励或辅助微波或者借助任何其它获得足够预电离电子密度的手段(电晕放电，UV预电离)也可以达到预电离。例如，参照图18中示出的实施例，通过置在沉积室内磁控器阴极附近的铜回路14并且利用发生器15提供预定频率的RF电流，气体遭受RF激励。在图18中，方块16示意示出按自身已知的方式置在发生器15和回路14之间的阻抗匹配电路。
在13.56兆赫频率的RF激励并且磁控管阴极CM和铜回路14之间的距离约为4cm情况下，可以得到和上面所说明的类似结果。RF激励的耦合不必必须为电感型，它也可以是电容型。
在另一实施例(未示出)中，还可以利用施加在沉积室中的例如2.45吉赫的微波得到预电离。
在图1到17的例子中利用直流预电离电流得到预电离。这不限制本发明。在另一实施例中，预电离电流可以是脉冲式电流，关键在于施加电压脉冲之前使气体预电离。在此情况下，预电离电流脉冲必须在主电压脉冲VP之前。该注解对于RF或微波激励或者任何其它预电离激励也是有效的，能在直流方式或脉冲方式下同样好地进行这些激励。

Claims (19)

1.一种在装着磁控管阴极(MC)的磁控管反应器(1)中在基片(11a)上沉积至少一种材料的方法，按照该方法利用通过对该磁控管阴极(MC)施加主电压脉冲(VP)而以脉冲方式离子化的气体、通过磁控管溅射使所述材料蒸发，该方法的特征在于，在每个主电压脉冲(VP)之前使气体预电离从而产生在主电压脉冲(VP)截止后其衰减时间(Td)小于5μs的电流脉冲(CP)，其中，磁控管阴极上预电离电流密度在0.05mA/cm2和100mA/cm2之间，并且，主电压脉冲(VP)的持续时间(tp)小于50μs。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在主电压脉冲(VP)截止后电流脉冲(CP)的衰减时间(Td)小于1μs。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在基片附近测量的蒸气离子化程度大于10％。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在基片附近测量的蒸气离子化程度大于70％。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过对磁控管阴极(MC)施加预电离电压来预电离气体。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该预电离电压是直流电压。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过足够高的脉冲重复频率以对每个电压脉冲形成一个稳定的电流脉冲来确保预电离。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过对气体的RF激励来预电离气体。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过对气体的微波激励来预电离气体。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过至少二个间隔很小的脉冲(VP)的连续序列生成主电压脉冲。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，主电压脉冲(VP)的持续时间(tp)小于20μs。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，主电压脉冲(VP)的持续时间(tp)在1μs和10μs之间。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，单脉冲的频率不超过100千赫并且大于50赫。
14.一种用于磁控管反应器(1)的脉冲式电源(2)，所述电源包括一个用于和该磁控管反应器的阴极(MC)连接的输出端(Out)，其特征在于，该电源包括用于在该输出端(Out)上生成主电压脉冲(VP)的第一装置以及用于与主电压脉冲(VP)同时地在该输出端(Out)上生成预电离电压的第二装置，且其特征在于，该生成主电压脉冲的第一装置包括：
一个直流电压源(S1)；
用来生成控制脉冲的装置(S0，PG，PT)；
安装在直流电压源(S1)和输出端(Out)之间并由生成控制脉冲的该装置(S0，PG，PT)控制的开关装置(T)；以及
串联地连接在开关装置(T)和输出端(Out)之间的电阻器(R1)，开关装置(T)和电阻器(R1)之间的接点(J)接地，
其中，磁控管阴极上预电离电流密度在0.05mA/cm2和100mA/cm2之间，并且，主电压脉冲(VP)的持续时间(tp)小于50μs。
15.根据权利要求14所述的用于磁控管反应器(1)的电源，具有等效电感器(L)，其特征在于，选择该电阻器(R1)以使L/R1小于2.5μs。
16.根据权利要求14所述的用于磁控管反应器(1)的电源，具有等效电感器(L)，其特征在于，选择该电阻器(R1)以使L/R1小于0.5μs。
17.根据权利要求14或15所述的电源，其特征在于，该电源包括一个在接点(J)和地之间的二极管(D3)，以允许在该输出端(Out)和地之间通过放电电流并防止开关装置(T)过电压。
18.根据权利要求14或15所述的电源，其特征在于，生成预电离电压的第二装置包括一个经串联的电阻器(R)和隔离二极管(D)与该输出端(Out)连接的直流电压源(S2)。
19.一种带有权利要求14至18中任一项所述的脉冲式电源的磁控管反应器(1)，其中该电源(2)的输出端(Out)和该磁控管的阴极(MC)连接。
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