CN103608893B - 用于提供顺序功率脉冲的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于为PVD溅射阴极提供功率脉冲的方法，所述溅射阴极被细分为部分阴极，其中在所述部分阴极处有效的功率脉冲间隔被选择为使得其重叠，由此实现从提供功率的发生器的功率提取不必中断。

Description

用于提供顺序功率脉冲的方法

技术领域

本发明涉及一种用于生成功率脉冲的方法。

背景技术

例如在HIPIMS技术的范围中需要这样的功率脉冲。HIPIMS代表高功率脉冲磁控管溅射（High Power Impulse Magnetron Sputtering）。在此这是一种真空镀层方法，其中借助于非常高的放电电流从阴极溅射材料，由此保证了溅射的材料被高度正离子化。如果同时在要镀层的衬底处施加负电压，则这导致：通过溅射产生的正离子在衬底方向上加速并且因此导致致密层的构造。在此，使用例如40kW以及更大的功率。但是仅仅在短功率脉冲的范围内才可能从阴极溅射材料，因为阴极在较长功率作用的情况下可能由于过热而受到损伤。因此，在其期间可从阴极以高功率溅射的时长必须受到限制，这导致最大容许的脉冲时长。

能实现这一点的方案在于，将整个阴极划分成部分阴极，并且将功率顺序相继地施加到部分阴极。该方案指的是，将多个彼此绝缘的阴极（在此称为部分阴极）设置在镀层设备中，使得可以限于局部地导致高放电电流。在德国专利申请DE102011018363中描述了该方案的可能的实现。

在作用于部分阴极的功率脉冲期间，由该阴极以高放电电流密度进行溅射。同时，一个或多个其他部分阴极可以在功率脉冲重新施加于其上之前冷却。

但是本发明已经发现，脉冲时长本身对借助于磁控管溅射构造的层的层特性具有高度影响。因此，需要如下的发生器：所述发生器能够输出非常短、而且持续相对长时间的高功率脉冲。

发生器通常在恒定电流的情况下可靠地提供恒定电压。在英语中其被称为“power supply（电源）”，这被翻译成功率源的含义。当如上所述涉及生成高功率的短功率脉冲时，情况变得要求高。在接通应当输出例如40kW功率的功率源的情况下，在利用市场上常见的电压源达到完全功率输出以前，按照数量级而言流逝大致700μs。如果如当前那样需要具有较短脉冲时长的功率脉冲，则在完全功率构建以前，可用时间就已经期满。这样的脉冲的功率谱是相应不受控地动态的，并且基于其构造的溅射方法导致再现性差以及在其特征方面次优的层。

发明内容

因此，利用根据本发明的本方法应当给出的可能性是，以简单方式实现具有所定义的谱的功率脉冲，其中功率脉冲的时长应当能够以简单方式在宽间隔上缩放。

根据本发明，该任务通过如下方式来解决：被分配给第一部分阴极的功率脉冲间隔与被分配给第二部分阴极的功率脉冲间隔在时间上轻微重叠，使得在将第一部分阴极的功率转引到第二部分阴极上时，提供所述功率的发生器不必被关断，而是从发生器的功率提取不中断地进行，并且因此不必发生重新的功率构造。在两个功率脉冲间隔重叠的时间期间，等离子体仅仅在第一部分阴极处燃烧，因为与之相关的阻抗与还未点燃的第二部分阴极的阻抗相比显著更低。当在第一功率脉冲间隔结束时，第一部分阴极才与发生器分开，并且第二部分阴极处的等离子体点燃，但是这如此快，以至于发生从发生器的基本上连续的功率提取。如果存在第三部分阴极，则安排：分配给第三部分阴极的功率脉冲间隔与分配给第二部分阴极的功率脉冲间隔轻微地重叠，使得在将功率从第二部分阴极转引到第三部分阴极上时又不发生功率提取的中断。总的来说，所安排的是：分配给第n个部分阴极的功率脉冲间隔与分配给第（n－1）个部分阴极的功率脉冲间隔轻微重叠，由此在将功率从第（n－1）个部分阴极转引到第n个部分阴极上时避免了从发生器的功率提取的中断。当已经将功率转引到最后的部分阴极上并且被分配给该最后的部分阴极的功率脉冲已经被输出时、即当功率脉冲周期——在后面亦称群——完全结束时，才中断从发生器的功率提取。紧接着的功率间歇被用于在给第一部分阴极以对应的间隔重新施加分配给其的功率脉冲以前使部分阴极冷却。

但是这样的处理方式导致，至少在第一部分阴极处输出的功率脉冲处于发生器的功率构造的时间范围中，并且相应的功率脉冲具有与之对应的不期望的谱。因此，根据本发明的一个优选实施方式，在给第一部分阴极施加功率以前，针对至少近似功率构建间隔给所谓的哑元阴极（Dummy-Kathode）施加功率。然后安排：分配给第一部分阴极的功率脉冲间隔与功率构造间隔轻微地重叠，由此在从哑元阴极转引到第一部分阴极上时避免了从发生器的功率提取的中断，并且在第一功率脉冲间隔的范围内基本上已经有完全的功率可用。上述哑元阴极例如可以利用具有欧姆电阻的电路来实现，在所述欧姆电阻处相应的电压下降并且功率因此被转换成热。

如前面所述，功率构造间隔可以完全处于700μs附近的数量级。在该间隔期间从发生器输出给哑元阴极的功率未使镀层工艺受益，即被丢失并且是损耗。这在功率脉冲周期、即群间隔与功率构造间隔相比较大并且因此功率损耗仅仅共计小的百分比时是无问题的。但是这在功率脉冲间隔变得如下小以至于功率构造间隔与群间隔相比绝对重要时是有问题的。在这样的情况下，发生显著的且因此不可接受的功率损耗。

这可以利用本发明的另一个优选实施方式来避免。即本发明已经认识到，恰好在短的功率脉冲间隔情况下仍完全不需要部分阴极的冷却。在这种情况下，在第一功率脉冲周期之后紧随第二功率脉冲周期。在此安排：第二功率脉冲周期（即第二群）的第一功率脉冲间隔与第一功率脉冲周期的最后的功率脉冲间隔轻微地重叠，使得从最后的部分阴极到第一部分阴极的功率转引可以在不中断从发生器的功率提取的情况下实现。通过这种方式，针对第二群避免了功率构造间隔以及伴随着到哑元阴极的功率引出而来的功率损耗。可能的是，通过相应方式将如此多的群彼此排列，直到由于在部分阴极处出现的发热而必须或应当实际中断功率输送。在这样的群串中，在该串开始时仅仅需要一次在功率构造间隔期间将功率引导到哑元阴极上。

附图说明

现在详细地并且根据图解示例性地根据溅射技术（Sputtertechnologie）来阐述本发明。

具体实施方式

在下面的示例中使用下列缩略语：

Pavg 平均溅射功率

Pmax 最大溅射功率（脉冲功率）

tpn 脉冲长度

tdn 脉冲延迟

N 群的数目（N = 0 ...500）

n 通道数目

（＝部分阴极的数目，n = 0 ....6, n=0对应于哑元阴极）

fr 重复频率

tr 重复时长＝1/fr

为了避免阴极过热，假定：在功率串内，在其期间在部分阴极上施加功率的总时间必须小于100ms：

(tpn-tdn)*N < 100ms = Tmax 。

1.示例

在第一示例的范围内，给哑元阴极施加功率达0.5ms，即功率间隔tp0为0.5ms并且因此一定包括大致0.25ms的功率构造间隔。附加于哑元阴极使用6个部分阴极。在其期间在群中给部分阴极施加功率的功率脉冲间隔被规定到tp1-6 = 0.2ms，并且功率脉冲间隔的重叠被规定到td1-6 = 0.02ms。总共经历10个功率脉冲周期，即10个群与损耗间隔一起形成串。因此，总串间隔持续10*6*(0.2ms-0.02ms)+0.5ms = 10.8ms+0.5ms =11.3ms。

因此，0.5ms的损耗间隔与用于镀层目的的10.8ms的功率输出时间形成对照。也就是说，与哑元阴极处的功率损耗相比，将20倍以上功率用于镀层目的。

如果现在在功率脉冲间隔期间在部分阴极处存在40kW并且在每个部分阴极处预先给定5kW的平均溅射功率，则总串间隔应当以69.4Hz的频率重复，因为有下式成立：

(tpn-tdn)*N*Pmax*fr=0.18ms*10*40kW*69.4Hz = 5kW。

在哑元阴极处的最大为0.5ms*40kW*69.4Hz=1.39kW的平均损耗功率与此形成对照。69.4Hz的重复频率对应于14.4ms的重复时长。在总串间隔的时长为11.3ms的情况下，这意味着，在串之间应当置入3.1ms的间歇。

2.示例

在第二示例的范围内，功率脉冲间隔被减小到 0.07ms，并且群的数目被提高到100。其他参数不变。因此，总串间隔持续100*6*(0.07ms-0.02ms)+0.5ms=30ms+0.5ms=30.5ms。

因此，0.5ms的损耗间隔与用于镀层目的的30ms的功率输出时间形成对照。也就是说，与哑元阴极处的功率损耗相比，将60倍以上功率用于镀层目的。

如果现在在功率脉冲间隔期间在部分阴极处存在40kW并且在每个部分阴极处预先给定5kW的平均溅射功率，则总串间隔应当以25Hz的频率重复，因为有下式成立：

(tpn-tdn)*N*Pmax*fr=0.05ms*100*40kW*25Hz = 5kW。

在哑元阴极处存在最大0.5ms*40kW*25Hz=0.5kW的平均功率损耗与此形成对照。25Hz的重复频率对应于40ms的重复时长。在总串间隔的时长为30.5ms情况下，这意味着，应当在两个串之间置入9.5ms的间歇。

3.示例

在第三示例的范围内，功率脉冲间隔被减小到 0.05ms，并且群的数目被提高到1000。其他参数不变。因此，总串间隔持续1000*6*(0.05ms-0.02ms)+0.5ms=180ms+0.5ms=180.5ms。

因此，0.5ms的损耗间隔与用于镀层目的的180ms的功率输出时间形成对照。也就是说，与哑元阴极处的功率损耗相比，将360倍以上功率用于镀层目的。

如果现在在功率脉冲间隔期间在部分阴极处存在60kW并且在每个部分阴极处预先给定大约5kW的平均溅射功率，则总串间隔应当以2.7Hz的频率重复，因为有下式成立：

(tpn-tdn)*N*Pmax*fr=0.03ms*1000*60kW*2.7Hz = 4.86kW。

在哑元阴极处的最大0.5ms*60kW*2.7Hz=81W的平均功率损耗与此形成对照。2.7Hz的重复频率对应于360ms的重复时长。在总串间隔的时长为180.5ms的情况下，这意味着，应当在两个串之间置入179.5ms的间歇。

4.示例

在第四示例的范围内，保持0.05ms的功率脉冲间隔和1000的群数目，同样保留其他参数。总串间隔持续1000*6*(0.05ms-0.02ms)+0.5ms=180ms+0.5ms=180.5ms。

因此，0.5ms的损耗间隔与用于镀层目的的180ms的功率输出时间形成对照。也就是说，与哑元阴极处的功率损耗相比，将360倍以上功率用于镀层用途。

如果现在在功率脉冲间隔期间在部分阴极上不再存在60kW（如在示例3中）、而是仅仅存在33kW并且在每个部分阴极处预先给定大致5kW的平均溅射功率，则该总串间隔以5.05Hz的频率重复，因为有下式成立：

(tpn-tdn)*N*Pmax*fr=0.03ms*1000*33kW*5.05Hz = 5kW。

在哑元阴极处的最大0.5ms*33kW*5.05Hz=83W的平均功率损耗与此形成对照。5.05Hz的重复频率对应于198ms的重复时长。在总串间隔的时长为180.5ms的情况下，这意味着，应当在两个串之间置入17.5ms的间歇。

如上面简述的示例所示的，根据本发明的方法允许在近似于零的小功率损耗的情况下简单地缩放脉冲时长、脉冲高度、脉冲重复频率以及脉冲谱的精确定义。可以概括为关键字“可缩放的脉冲特性”的所有这些参量，在溅射中、尤其是在HIPIMS技术的范围中对在此产生的层的特性产生直接影响。尽管本发明的描述是提供溅射技术范围内的功率脉冲，但是其有利地可以全面应用于必须将在脉冲范围内比较高的功率施加于负载的情况。

图1将对应于所述示例的情况示出为统一的串以及分成部分阴极（1－6）处的损耗间隔（0）和功率脉冲间隔。在此，水平轴表示时间轴，并且竖直轴对应于由发生器输出的功率，其中在重叠（例如td1）的范围内必须划分两个负载之间的功率，这在图中未示出。但是在图中示出了仅仅3个群。

Claims (18)

1.一种用于提供具有可缩放的功率脉冲间隔的功率脉冲以用于运行PVD溅射阴极的方法，所述PVD溅射阴极包括第一部分阴极和第二部分阴极，其中针对所述部分阴极预先给定最大平均功率施加，并且其中预先给定所述功率脉冲间隔的时长，并且该方法包括下列步骤：

a）提供发生器，其具有预先给定的功率输出，

b）接通所述发生器，

c）将第一部分阴极连接到所述发生器，使得由发生器给第一部分阴极施加功率，

d）在预先给定的对应于第一部分阴极的第一功率脉冲间隔期满以后，将所述发生器与第一部分阴极分开，

e）将第二部分阴极连接到所述发生器，使得由发生器给第二部分阴极施加功率，

f）在预先给定的对应于第二部分阴极的第二功率脉冲间隔期满以后，将所述发生器与第二部分阴极分开，

其中第一功率脉冲间隔在时间上在第二功率脉冲间隔以前开始，并且第一功率脉冲间隔在时间上在第二功率脉冲间隔结束以前结束，

其特征在于，步骤d）和e）被实施为使得第一功率脉冲间隔和第二功率脉冲间隔在时间上轻微重叠，并且所有功率脉冲间隔一起形成第一群，使得所述发生器的功率输出在从第一功率脉冲间隔的开始直至第二功率脉冲间隔的结束没有中断地保持连续，并且不发生第二功率构造间隔，其中在两个功率脉冲间隔重叠的时间期间，等离子体仅仅在第一部分阴极处燃烧，并且只有当在第一功率脉冲间隔结束时，第一部分阴极才与发生器分开，第二部分阴极处的等离子体点燃得如此快，以至于从发生器的功率提取是连续的。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预先给定的功率输出是至少在接通以后以及在功率构造间隔期满以后恒定的功率输出。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一功率脉冲间隔和第二功率脉冲间隔的时间重叠不大于所述功率脉冲间隔的x％，或在第一功率脉冲间隔与第二功率脉冲间隔在时长方面不同的情况下不大于较短时长的功率脉冲间隔的x％，其中x小于等于20。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，x小于等于10。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，PVD溅射阴极包括至少一个另外的部分阴极，其中所述另外的部分阴极根据步骤e）和f）连接到所述发生器以及与所述发生器分开，其中分别分配给所轮到的另外的部分阴极的功率脉冲间隔与对应于紧接在所轮到的部分阴极之前的功率脉冲间隔在时间上重叠，并且第一、第二以及所述另外的功率脉冲间隔一起形成时间上不中断的第一群，使得所述发生器的功率输出在由第一群形成的群间隔期间无中断地保持连续，并且不发生第二功率构造间隔。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，PVD溅射阴极包括多个另外的部分阴极。

7.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，给第一群附加第二群，在第二群内对应于第一群地在彼此重叠的功率脉冲间隔内给第一部分阴极和第二部分阴极施加功率脉冲，其中第二群被这样附加到第一群，使得第二群的第一功率脉冲间隔与第一群的最后的功率脉冲间隔重叠，从而所述发生器的功率输出从第一群的第一功率间隔的开始到第二群的最后的功率间隔的结束无中断地保持连续，并且不发生第二功率构造间隔。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，给第一群附加第二群，在第二群内对应于第一群地在彼此重叠的功率脉冲间隔内给第一、第二以及所述另外的部分阴极施加功率脉冲，其中第二群被这样附加到第一群，使得第二群的第一功率脉冲间隔与第一群的最后的功率脉冲间隔重叠，从而所述发生器的功率输出从第一群的第一功率间隔的开始到第二群的最后的功率间隔的结束无中断地保持连续，并且不发生第二功率构造间隔。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据在权利要求7中为群1和群2制定的条件，彼此附加N个群，其中N为>1的整数。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，群的数目N被选择为最大、但仅仅如此大，使得针对每个部分阴极n成立的是，分配给其的功率脉冲间隔之和tpn减去各一个重叠tdn在所有群1至N上不超过100ms的最大时间。

11.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在损耗间隔期间，从所述发生器输出的功率被输出给未被用于镀层的负载，其中所述损耗间隔至少包括所述功率构造间隔，并且所述损耗间隔与第一群的第一功率脉冲间隔重叠，并且所述损耗间隔与该群一起形成不中断的串。

12.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，根据所述权利要求之一的方法被多次重复，并且分别在最后的群的最后的功率脉冲间隔以后将所述发生器关断达一间歇，并且该间歇被选择为如此长，使得输出给所述部分阴极的时间上平均的功率在考虑到所述间歇的情况下对应于预先给定的值。

13.一种包括前述权利要求之一所述的方法的HIPIMS方法，其特征在于，发生器的预先给定的功率处于至少20kW。

14.根据权利要求13所述的HIPIMS方法，其特征在于，发生器的预先给定的功率处于至少40kW。

15.根据权利要求13所述的HIPIMS方法，其特征在于，发生器的预先给定的功率处于至少60kW。

16.根据权利要求13至15之一所述的HIPIMS方法，其特征在于，参数被选择为使得输出给所述部分阴极的时间上平均的功率低于10kW。

17.根据权利要求16所述的HIPIMS方法，其特征在于，所述参数被选择为使得输出给所述部分阴极的时间上平均的功率处于5kW。

18.根据权利要求16所述的HIPIMS方法，其特征在于，暂时和局部占据所述部分阴极的放电电流密度大于0.2A/cm²。