CN104246967B - 用于提供顺序的功率脉冲的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于提供用于PVD雾化阴极的功率脉冲的方法，PVD雾化阴极包括功率吸收部件和部分阴极，其中在发生器的功率建立间隔期间在功率吸收部件上降低功率并且接着在部分阴极上降低功率，其中如此切换，使得不必中断从提供功率的发生器提取功率。

Description

用于提供顺序的功率脉冲的方法

技术领域

本发明涉及一种用于产生功率脉冲的方法。

背景技术

这种功率脉冲例如在HIPIMS技术的领域中是必需的。HIPIMS代表高功率脉冲磁控管溅射。在此，涉及一种真空涂层方法，其中借助非常高的放电电流由阴极溅射材料，由此保证了被溅射的材料被完全正离子化。同时，如果将负电压施加到到要涂层的衬底，则这会导致：通过雾化形成的正离子朝向衬底被加速并且因此引起构建密的层。在此使用例如40kW和更大的功率。然而，仅在短功率脉冲的背景下可由阴极雾化材料，因为电极在较长的功率作用情况下可能会被过热损伤。可由阴极利用高功率雾化的持续时间因此必须受限，这导致最大所允许的脉冲持续时间。

要实现的方案在于，将整个阴极划分成部分阴极并且将功率相继依次施加到部分阴极上。这个概念指的是，多个彼此绝缘的阴极(在此称作部分阴极)设置在涂层设备中，使得局部受限地会出现高放电电流。该方案的可能的实现方案在德国专利申请DE102011018363中予以描述。

在作用于部分阴极的功率脉冲期间，由该阴极利用高放电电流密度来溅射。同时，该部分阴极或其他部分阴极可以在将功率脉冲重新作用于其上之前冷却。

然而，本发明人已确定：脉冲持续时间本身对借助磁控管溅射构建的层的层特性有大的影响。因此通常需要发生器，其能够不仅输出短的而且持续相对长的高功率脉冲。

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，其称作“powersupply”，这一样翻译为如功率供给。如上面所描述的那样产生高功率的短功率脉冲的情况变得要求高。在要输出例如40kW的功率的功率供给接通时利用市售的大小等级为大约700μs的电压源如在此那样。如果需要具有较短脉冲持续时间的功率脉冲，则可供使用的时间已在完全的功率建立之前结束。这种脉冲的功率分布相应不受控地是动态的并且基于此建立的溅射方法导致会劣质产生的并且在其特性方面次优的层。

发明内容

利用根据本发明的本方法因此要说明一种以简单方式实现具有限定的分布的功率脉冲的可能性，其中功率脉冲的持续时间要以简单方式能够通过宽的间隔上缩放。

根据本发明，该任务通过如下方式来解决：与第一部分阴极所属的功率脉冲间隔与属于第二部分阴极的功率脉冲曲线如此在时间上略微重叠，使得在将功率从第一部分阴极重导向到第二部分阴极上时提供功率的发生器不必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建立。在两个功率脉冲间隔的重叠的时间期间，等离子体只在第一部分阴极处燃烧，因为关于此方面的阻抗明显低于尚未被点燃的第二部分阴极的阻抗。在第一部分阴极在第一功率脉冲间隔结束时与发生器分离的情况下，等离子体才在第二部分阴极上被点燃，然而这快到使得出现从发生器基本上连续的功率提取。若存在第三部分阴极，则确保：与第三部分阴极所属的功率脉冲间隔与属于第二部分阴极的功率脉冲间隔(优选略微)重叠，使得在将功率从第二部分阴极重导向到第三部分阴极时不会再出现功率提取的中断。略微重叠在此指的是在x*0.01ms范围中的重叠，其中0.5＜x＜10。一般而言，确保的是，第n部分阴极所属的功率脉冲间隔与属于第(n-1)部分阴极的功率脉冲间隔(优选略微)充电，由此在将功率从第(n-1)部分阴极重导向到第n部分阴极时避免从发生器的功率提取中断。只有在功率曾被重导向到最后的部分阴极上并且该最后的部分阴极所属的功率脉冲曾被输出时，即当功率脉冲循环(以下也称作组)完全结束时，才中断从发生器的功率提取。接着的功率停顿为此在第一部分阴极在相应的间隔中重新施加以与其所属的功率脉冲之前被用于冷却部分阴极。

然而，这样的方法过程导致，至少在第一部分阴极上输出的功率脉冲在发生器的功率建立的时间范围中并且相应的功率脉冲具有相应的不期望的分布。根据本发明的一种优选的实施形式，因此在将功率施加到第一部分阴极之前在至少大约功率建立间隔中将功率施加给所谓的虚拟阴极。在此，主要涉及功率吸收器而不涉及针对该应用所使用的阴极。于是确保的是：第一部分阴极所属的功率脉冲间隔略微与功率建立间隔重叠，由此在从虚拟阴极重导向到第一部分阴极上时避免从发生器的功率提取中断并且在第一功率脉冲间隔的范围中基本上已存在全功率可用。上面提及的虚拟阴极例如可以利用带有欧姆电阻的电流回路来实现，在该电阻上降落有相应的电压并且功率因此被转化成热。

如前面提及的那样，功率建立间隔可以完全在围绕700μs的大小量级中。在该间隔中由发生器向虚拟阴极输出的功率对涂覆工艺无益，也就是说损失掉并且为损耗。这在功率脉冲循环即组间隔大于功率建立间隔并且因此功率损耗仅占小百分比时才无问题。当然这在功率脉冲间隔变小到使得功率建立间隔与群间隔相比变得绝对重要时而有问题。在这样的情况下，出现显著的且由此不可接受的功率损耗。

这可以利用本发明的另一优选的实施形式来避免。也就是说，本发明已认识到，恰好在短功率脉冲间隔的情况下还甚至不需要对部分阴极进行冷却。在此情况下，接着第一功率脉冲循环之后是第二功率脉冲循环。在此确保：第二功率脉冲循环(即第二组)的第一功率脉冲间隔与第一组的第一功率脉冲循环的最后的功率脉冲间隔略微重叠，使得可以将功率从最后的部分阴极重定向到第一部分阴极，而实现从发生器进行功率提取无中断。以此方式，对于第二组而言避免功率建立间隔并且避免随功率导出到虚拟阴极上而出现的功率损耗。可能的是，以相应的方式将许多组并排排列，直至由于在部分阴极中出现的热生成而必须或应发生功率输送的实际中断。在这样的组队列中，在该队列开头处仅仅需要一次在功率建立间隔期间将功率引导到虚拟阴极上。

附图说明

现在详细且根据附图示意性借助溅射工艺(Sputtertechnologie)来阐述本发明。

图1示意性示出了这种组队列，

图2示出了根据一种实施形式的结构，由此功率供给单元3包括发生器g1至g6，其配置为主从单元并且经由开关S1至S6可以与部分阴极q1至q6连接，

图3示出了根据图2的结构，其中主从单元是分离的，使得每个部分阴极能够由发生器直接馈电。

在随后的示例中使用如下缩写：

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 组数目(N＝0...，500)

n 通道编号

(＝部分阴极的数目，n＝0，...，6，n＝0对应于虚拟阴极)

fr 重复频率

tr 重复持续时间＝1/fr

为了避免阴极过热，示例性假设：在功率队列内施加到部分阴极上的总时间必须小于100ms：

(tpn-tdn)*N＜100ms＝Tmax

具体实施方式

1.第一示例：

在第一示例的范围中，对虚拟阴极施加功率持续0.5ms，即损耗间隔tp0为0.5ms，并且由此一定包括大约0.25ms的功率建立间隔。除了虚拟阴极之外，使用6个部分阴极。在组中将功率施加到部分阴极上的功率脉冲间隔固定在tp1-6＝0.2ms上并且功率脉冲间隔的重叠固定在td1-6＝0.02ms。总共经历10个功率循环，即10个组与损耗间隔一起形成队列。由此，总队列间隔持续10*6*(0.2ms-0.02ms)+0.5ms＝10.8ms+0.5ms＝11.3ms。

由此，0.5ms的损耗间隔针对用于涂层目的的功率输出的10.8ms的时间。因此与虚拟阴极上的功率损耗相比，使用多于20倍的针对涂层目的功率。

现在如果在功率脉冲间隔期间在部分阴极上有40kW并且在每个部分阴极上预给定5kW的平均溅射功率，总队列间隔要以69.4Hz的频率重复，因为适于：

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

在虚拟阴极上对应最大0.5ms*40kW*69.4Hz＝1.39kW的平均功率损耗。69.4Hz的重复频率对应于14.4ms的重复持续时间。在11.3ms的总队列间隔的持续时间的情况下，这意味着：在队列之间要插入3.1ms的停顿。

2.第二示例：

在第二示例的范围中，功率脉冲间隔减小到0.07ms并且组的数目提高到100。其他参数被包含。由此，总队列间隔持续100*6*(0.07ms-0.02ms)+0.5ms＝30ms+0.5ms＝30.5ms。

由此，0.5ms的损耗间隔针对用于涂层目的的功率输出的30ms的时间。因此与虚拟阴极上的功率损耗相比，使用多于60倍的针对涂层目的功率。

现在如果在功率脉冲间隔期间在部分阴极上有40kW并且在每个部分阴极上预给定5kW的平均溅射功率，总队列间隔要以25Hz的频率重复，因为适于：

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

其对应在虚拟阴极上的最大0.5ms*40kW*25Hz＝0.5kW的平均功率损耗。25Hz的重复频率对应于40ms的重复持续时间。在30.5ms的总队列间隔的持续时间的情况下这意味着：9.5ms的停顿要插入在两个队列之间。

3.示例：

在第三示例的范围中，功率脉冲间隔减小到0.05ms并且组的数目提高到1000。其他参数被包含。由此，总队列间隔持续1000*6*(0.05ms-0.02ms)+0.5ms＝180ms+0.5ms＝180.5ms。

由此，0.5ms的损耗间隔针对用于涂层目的的功率输出的180ms的时间。因此与虚拟阴极上的功率损耗相比，使用多于360倍的针对涂层目的功率。

现在如果在功率脉冲间隔期间在部分阴极上有60kW并且在每个部分电极上预给定大约5kW的平均溅射功率，总队列间隔要以2.7Hz的频率重复，因为适于：

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

其对应在虚拟阴极上的最大0.5ms*60kW*2.7Hz＝81kW的平均功率损耗。2.7Hz的重复频率对应于360ms的重复持续时间。在180.5ms的总队列间隔的持续时间的情况下这意味着：179.5ms的停顿要插入在两个队列之间。

4.示例：

在第四示例的范围中，保留0.05ms的功率脉冲间隔和1000个的组数目，同样其他参数。由此，总队列间隔持续1000*6*(0.05ms-0.02ms)+0.5ms＝180ms+0.5ms＝180.5ms。

由此，0.5ms的损耗间隔针对用于涂层目的的功率输出的180ms的时间。因此与虚拟阴极上的功率损耗相比，使用多于360倍的针对涂层目的功率。

现在如果在功率脉冲间隔期间在部分阴极上存在不再是如示例3中的60kW而是存在仅仅33kW并且在每个部分阴极上预给定大约5kW的平均溅射功率，则总队列间隔要以5.05Hz的频率重复，因为适于：

(tpn-tdn)*N

*Pmax*fr＝0.03ms*1000*33kW*5.05Hz＝5kW

其对应在虚拟阴极上的最大0.5ms*33kW*5.05Hz＝83W的平均功率损耗。5.05Hz的重复频率对应于198ms的重复持续时间。在180.5ms的总队列间隔的持续时间的情况下这意味着：仅仅17.5ms的停顿要插入在两个队列之间。

如上面简述的示例所示，根据本发明的方法允许简单地缩放脉冲持续时间、脉冲高度、脉冲重复频率以及在损耗功率近似小到消失时的脉冲分布的精确限定。能以关键字概括可缩放的脉冲特征的所有量在溅射时并且尤其在HIPIMS技术的范围中对在此形成的层的特性有直接影响。尽管本发明的说明书为提供溅射技术范围的功率脉冲，但其完全可在此有利地使用在必须在脉冲范畴内施加比较高的功率到负载上的地方。

图1示出了对应于这些例子的情况，不仅作为统一的队列而且也分裂成损耗间隔(0)并且部分阴极(1-6)上的功率脉冲间隔。在此，水平轴为时间轴，而竖直轴对应于由发生器输出的功率。然而，在该图中仅示出了3个组。

如上面所描述的那样，通过引入虚拟电极实现可对每个部分阴极施加精确限定的功率脉冲分布，因为该虚拟阴极可以处理在功率建立间隔期间所输出的功率。如本发明人已发现的那样，若在溅射期间出现所谓的电弧放电，则该虚拟阴极才是非常有用的。即如果借助检测装置识别出这样的电弧放电也即闪光，则通常将发生器关断，这意味着：在队列内不再有由发生器产生的未中断的功率输出。相应地，借助虚拟阴极可以实现将功率转向到该阴极上并且发生器可以不受干扰和无中断地输出其功率。

还应注意的是，提供连续的功率脉冲的根据本发明的方法允许使用简单的发生器。这样，发生器例如可以是功率供给单元，其配置为主从单元。主从配置可理解为两个或更多个发生器的输出端的并联连接，其中要设定的功率在发生器中之一上(主机)上选择，而其他发生器以电子方式连接，使得其在其设定方面跟随主机。这尤其也还具有如下优点：当例如要从HIPIMS溅射切换到常规溅射上时，主从配置可以被触发并且部分阴极分别可以属于主机或从机。

优选地，部分阴极包括在靶标之后分别可运动的磁体系统，其用于使相应的轨迹漫游经过相应的部分靶标。如果该设备以HIPIMS模式运行，则在部分靶标之后优选旋转的磁体系统根据本发明以如下频率运动，该频率优选与溅射源的反复的功率脉冲的频率未形成定量(rationnales)比例。由此确保了均匀地将材料从靶标表面剥离掉。

描述了一种用于提供具有可放缩的功率脉冲间隔的功率脉冲来驱动PVD雾化阴极的方法，PVD雾化阴极包括第一部分阴极和第二部分阴极，其中对于部分阴极预设最大平均功率施加，并且其中功率脉冲间隔的持续时间被预设并且该方法包括如下步骤：

a)提供发生器，其具有优选至少在功率建立间隔接通之后和结束之后预设的恒定功率输出

b)接通发生器

c)将第一部分阴极连接到发生器，使得第一部分阴极施加以发生器的功率

d)在预设的对应于第一部分阴极的第一功率脉冲间隔结束之后将发生器与第一部分阴极分离

e)将第二部分阴极连接到发生器，使得第二部分阴极施加以发生器的功率

f)在预设的对应于第二部分阴极的第二功率脉冲间隔结束之后将发生器与第二部分阴极分离

其中第一功率脉冲间隔在时间上在第二功率脉冲间隔之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之前结束，其中步骤d)和e)实施为，第一功率脉冲间隔和第二功率脉冲间隔在时间上重叠并且所有功率脉冲间隔一起形成第一组，使得发生器的功率输出连续无中断地从第一功率脉冲间隔的开头到第二功率脉冲间隔的结束保持存在并且不会出现第二功率建立间隔。

第一功率脉冲间隔和第二功率脉冲间隔在时间上的重叠优选并不应大于功率脉冲间隔的x％，或如果第一功率脉冲间隔与第二功率脉冲间隔在持续时间上不同，则不大于功率脉冲间隔的x％，为更短的持续时间，其中x小于等于20，优选x小于等于10。

PVD雾化阴极可以包括至少一个另外的部分阴极，优选多个另外的部分阴极，其中所述另外的部分阴极根据步骤e)和f)连接到发生器上并且与其分离，其中按顺序的另一部分阴极所属的相应功率脉冲间隔分别与对应于紧随先前按顺序的部分阴极的功率脉冲间隔在时间上重叠，并且第一功率脉冲间隔、第二功率脉冲间隔和该功率脉冲间隔或其他功率脉冲间隔一起形成时间上不中断的第一组，使得发生器的功率输出在通过第一组形成的组间隔期间连续无中断地保持存在并且不会出现第二功率建立间隔。

接着第一组可以是第二组，在其内根据第一组对第一部分阴极、第二部分阴极和必要时其他部分阴极在重叠的功率脉冲间隔内施加以功率脉冲，其中第二组可接于第二组之后，使得第二组的第一功率脉冲间隔与第一组的最后的功率脉冲间隔重叠，使得发生器的功率输出从第一组的第一功率间隔开始至第二组的最后的功率间隔结束连续无中断地保持并且不会发生第二功率建立间隔。

根据针对组1和组2表述的条件，N个组可以彼此紧接着，其中N为大于1的整数。

但组的数目N应优选最大仅选择得大到使得对于每个部分阴极适用n，与其所属的功率脉冲间隔tpn之和减去对于所有组1至N的相应的重叠tdn不超过100ms的最大时间。

在损耗间隔期间，由发生器输出的功率可向并不用于例如涂覆的负载输出，其中损耗间隔至少包括功率建立间隔并且损耗间隔与第一组的第一功率脉冲间隔重叠并且损耗间隔与这些组一起形成不中断的队列。

上面概述的方法可以多次重复并且分别在最后组的最后的功率脉冲间隔之后可以关断发生器一个停顿并且该停顿可以选择得长到使得向部分阴极输出的在时间上平均的功率在考虑该停顿的情况下对应于预设的值。

利用上面所描述的方法可以执行HIPIMS方法，其中发生器的预设功率在至少20kW的情况下优选为至少40kW并且特别优选为60kW。

在HIPIMS方法中，参数可优选选择为使得向部分阴极输出的在时间上平均的功率在10kW之下并且优选为5kW，其中偶尔并且在阴极上局部占主导的放电电流密度优选大于0.2A/cm²。

描述了一种用于提供具有可放缩的功率脉冲间隔的功率脉冲来驱动PVD雾化阴极的方法，其中PVD雾化阴极包括功率吸收部件和第一部分阴极，其中对于部分阴极而言预设最大平均功率施加，并且其中功率脉冲间隔的持续时间被预设并且该方法包括如下步骤：

a)提供发生器，其具有优选至少在功率建立间隔接通之后和结束之后预设的恒定功率输出

b)接通发生器

c)将功率吸收部件连接到发生器，使得功率吸收部件在功率建立间隔期间施加以发生器的功率

d)在功率建立间隔结束之后将发生器与功率吸收部件分离。

e)将第一部分阴极连接到发生器，使得第一部分阴极施加以发生器的功率

f)在预设的对应于第一部分阴极的第一功率脉冲间隔结束之后将发生器与第一部分阴极分离

该方法的特征在于，步骤d)和e)被实施，使得在将第一部分阴极连接到发生器上时不会出现第二功率建立间隔，其中这优选通过如下方式来实现：功率建立间隔和第一功率脉冲间隔在时间上重叠并且发生器的功率输出不必中断。

在该说明书中，更频繁地使用措辞“虚拟阴极”。这并不必然是起作用的阴极而是与功率吸收部件相同地理解。对于功率吸收部件而言典型的是，其不用作要涂覆的或要处理的衬底的材料提供方。

在该说明书中，措辞“部分阴极”应理解为，多个电绝缘的阴极形成阴极系统并且该阴极称作该系统的部分并且因此称作部分阴极。

此外，该方法可以包括如下步骤：

g)将第二部分阴极连接到发生器，使得第二部分阴极施加以发生器的功率

h)在预设的对应于第二部分阴极的第一功率脉冲间隔结束之后将发生器与第二部分阴极分离

其中步骤f)和g)实施为，由发生器连续无中断地从功率建立间隔开始直至第二功率脉冲间隔结束保持进行功率输出并且不会出现第二功率建立间隔，其中这优选通过如下方式实现：第一功率脉冲间隔和第二功率脉冲间隔在时间上重叠，其中第一功率脉冲间隔在时间上在第二功率脉冲间隔之前开始，并且第一功率脉冲间隔在时间上在第二功率脉冲间隔之前结束。

n个其他部分阴极可以根据步骤f)、g)和h)按顺序地相继连接到发生器，并且被发生器关断，其中优选第1-1功率脉冲间隔与第n功率脉冲间隔在时间上重叠。

可以设置用于检测电弧放电的装置，并且在检测电弧放电时功率吸收部件连接到发生器上并且当前所连接的部分阴极与发生器分离，使得发生器的功率输出未被中断。

电弧放电在本说明书中通常理解为电击穿，其会导致电压突然衰竭和/或电流升高。

Claims (5)

1.一种用于提供具有可放缩的功率脉冲间隔的功率脉冲来驱动PVD雾化阴极的方法，其中PVD雾化阴极包括功率吸收部件和至少第一阴极或第一部分阴极，其中对于第一阴极或第一部分阴极预设最大平均功率施加，并且其中预设功率脉冲间隔的持续时间，并且所述方法包括如下步骤:

a)提供发生器，其具有至少在功率建立间隔接通之后和结束之后预设的恒定功率输出，

b)接通发生器，

c)将功率吸收部件连接到发生器，使得功率吸收部件在功率建立间隔期间施加以发生器的功率，

d)在功率建立间隔结束之后将发生器与功率吸收部件分离，

e)将第一阴极或第一部分阴极连接到发生器，使得第一阴极施加以发生器的功率，

f)在预设的对应于第一阴极或第一部分阴极的第一功率脉冲间隔结束之后将发生器与第一阴极或第一部分阴极分离，

其特征在于，功率吸收部件不被用作要涂覆的或要处理的衬底的材料提供方，而且步骤d)和e)被如此实施，使得在将第一阴极或第一部分阴极连接到发生器上时不会出现第二功率建立间隔，这通过如下方式来实现：功率建立间隔和第一功率脉冲间隔在时间上重叠并且发生器的功率输出不必中断。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，PVD雾化阴极包括至少第一部分阴极和第二部分阴极，并且所述方法还包括如下步骤:

g)将第二部分阴极连接到发生器，使得第二部分阴极施加以发生器的功率，

h)在预设的对应于第二部分阴极的第一功率脉冲间隔结束之后将发生器与第二部分阴极分离，

其中步骤f)和g)如此实施，使得发生器的功率输出连续无中断地从功率建立间隔的开头到第二功率脉冲间隔的结束保持存在并且不会出现第二功率建立间隔。

3.根据权利要求2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在时间上重叠，其中第一功率脉冲间隔在时间上在第二功率脉冲间隔之前开始，并且第一功率脉冲间隔在时间上在第二功率脉冲间隔之前结束，由此使得不会出现第二功率建立间隔。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，n个其他部分阴极根据步骤f)、g)和h)按顺序地相继连接到发生器，并且由发生器关断，其中第n-1功率脉冲间隔与第n功率脉冲间隔在时间上重叠。

5.根据权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，设置用于检测电弧放电的装置，并且在检测电弧放电时功率吸收部件连接到发生器上并且当前所连接的第一阴极或第一部分阴极与发生器分离，使得发生器的功率输出未被中断。