CN109247032A - 脉冲直流电源供应器 - Google Patents

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Abstract

提供一种脉冲直流电源供应器。脉冲直流电源供应器被配置为提供单极脉冲直流电源。脉冲直流电源供应器包括脉冲单元，脉冲单元用于交替地在脉冲直流电源供应器的单极脉冲周期的开启周期期间设定标称开启周期直流电压以及在关闭周期期间设定标称关闭周期电压。脉冲直流电源供应器包括电流测量单元和零线确定单元。电流测量单元被配置为在关闭周期期间测量关闭周期电流。零线确定单元被配置为确定所测量的关闭周期电流的零线条件的存在。脉冲单元被配置为在确定存在所测量的关闭周期电流的零线条件时，设定标称开启周期直流电压。

Description

脉冲直流电源供应器
技术领域
实施方式涉及一种用于提供单极脉冲直流电源的脉冲直流电源供应器和此类脉冲直流电源供应器的操作方法。其他实施方式涉及一种包括此类脉冲直流电源供应器的沉积系统(例如溅射沉积系统)。
背景技术
脉冲直流(DC)溅射为应用于(例如是)半导体和涂布工业中的物理气相沉积工艺(PVD工艺)。与交流电流相反，“DC”的缩写表示直流电流。脉冲直流溅射对于金属和电介质涂布的溅射特别有效，且通常与反应溅射一起使用(其中在蒸发的靶材材料与离子化气体(例如是氧气)之间于等离子体之中发生化学反应以形成沉积分子(诸如硅氧化物))。在传统的直流溅射(例如是在铝、钛或硅的反应溅射)中，靶材可变为带电，且可形成电弧，使得所沉积的膜或层的品质大幅降低。
将施加至靶材的直流电压脉冲减少了电弧。电弧可由于在沉积工艺过程中电荷累积于介电层上所造成。在沉积工艺刚开始的时候，电弧可能不会有很大的问题，但后续却可能会急剧增加，导致涂布应用的工艺失效。电弧可使得所沉积的膜或层的品质劣化，且可能让施加至溅射靶材的功率不稳定。
在单极脉冲直流溅射中，脉冲直流电压是在开启周期(on-cycle)(工作周期(dutycycle))期间开启时发生溅射，即是假定为典型地几百伏的负值。根据工艺(亦可能还根据基板)，在随后的脉冲直流电压的关闭周期(off-cycle)期间，靶材放电。在关闭周期期间，电压值可以为零或几十伏的正值，通常称为逆向脉冲。工艺条件可随着工艺时间改变(例如电荷累积于靶材上的方式)，且脉冲直流电压通常不足以完全防止电弧。因此，脉冲直流电压供应可包括电弧抑制电路，通过靶材电压的改变检测电弧的形成，且立即启动一个或多个额外的(extraordinary)关闭时期(off-period)，通常为一个或多个逆向脉冲，以熄灭(quench)电弧。一旦电弧被熄灭，正常的脉冲直流周期便重新开始。
脉冲频率以及开启周期和关闭周期的长度是通过操作者在脉冲直流电压供应器中设定的。这些工艺参数的设定是基于操作者的经验。如果操作者的经验不足以适当地设定这些工艺参数，或如果溅射工艺以预期之外的方式表现，或随着时间简单改变，将可能形成多次电弧，而需要通过电弧抑制电路来抑制电弧的形成，或在溅射发生期间接通时间(on-time)过短，溅射沉积工艺的沉积速率将受到负面的影响。
因此，需要改善的脉冲直流电压供应，其操作方法及采用此类脉冲直流电压供应的沉积系统。
发明内容
鉴于上述，提供了根据独立权利要求的装置和方法。进一步的细节可以在从属权利要求、说明书和附图中找到。
根据一个实施方式，提供了一种脉冲直流电源供应器。脉冲直流电源供应器可以配置用于提供单极脉冲直流电源。脉冲直流电源供应器包括脉冲单元，用于在脉冲直流电源供应器的单极脉冲周期交替地在开启周期期间设定标称开启周期直流电压，以及在关闭周期期间设定标称关闭周期电压。脉冲直流电源供应器包括：电流测量单元，被配置为在关闭周期期间测量关闭周期电流；以及零线确定单元，被配置为确定所测量的关闭周期电流的零线条件的存在。脉冲单元被配置为在确定存在测量的关闭周期电流的零线条件时设定标称开启周期直流电压。
根据另一实施方式，提供了一种脉冲直流电源。脉冲直流电源供应器可以配置用于提供单极脉冲直流电源。脉冲直流电源供应器包括脉冲单元，所述脉冲单元被配置为在脉冲直流电源供应器的单极脉冲周期的开启周期期间设定标称开启周期直流电压，并且被配置为在脉冲直流电源供应器的单极脉冲周期的关闭周期期间设定标称关闭周期电压。脉冲直流电源供应器包括测量单元，所述测量单元被配置为测量脉冲直流电源供应器的至少一个电量。脉冲直流电源供应器包括评估单元，所述评估单元被配置为根据测量的至少一个电量的测量值的评估来确定预定条件的存在。脉冲单元被配置为在确定存在预定条件时设定标称开启周期直流电压。
此外，提供了一种溅射沉积系统。溅射沉积系统包括根据本文所述实施方式的溅射靶材和脉冲直流电源供应器。脉冲直流电源供应器连接到溅射靶材。
根据另一实施方式，提供了一种脉冲直流电源供应器的操作方法。脉冲直流电源供应器可以是根据本文所述实施方式的一些或所有特征。脉冲直流电源供应器提供单极脉冲直流电源。所述方法包括为脉冲直流电源供应器的第一脉冲周期设定标称开启周期直流电压，并通过脉冲直流电源供应器输出开启周期直流电压和开启周期直流电流。所述方法包括设定标称关闭周期直流电压以触发第一脉冲周期的关闭周期，以及通过脉冲直流电源供应器测量第一脉冲周期的关闭周期的关闭周期电流。所述方法包括根据关闭周期电流的测量来确定关闭周期电流的零线条件的存在。所述方法包括当确定存在第一脉冲周期的关闭周期电流的零线条件时，为第二脉冲周期设定标称开启周期直流电压。
本公开内容还涉及用于执行所披露的方法的设备，包括用于执行所述方法的每个所述特征的设备部件。这些方法特征可以通过硬件部件，由适当软件所编程的计算机、通过两者的任何组合或以任何其他方式来执行。另外的方面还涉及方法，根据所述方法操作或制造或使用所描述的脉冲直流电源供应器或溅射沉积系统。所述方法可包括用于执行脉冲直流电源供应器或溅射沉积系统的每个功能的方法部件。
附图说明
因此，可以详细地理解上述特征的方式，可以通过参考实施方式来获得更具体的描述。附图涉及各个实施方式，并描述如下：
图1图解了单极脉冲直流电压的特性；
图2至图3图解了根据本文所述实施方式的脉冲直流电源供应器的操作方法；
图4示出了根据本文所述实施方式的脉冲直流电源供应器；
图5示出了根据本文所述实施方式的溅射沉积系统；
图6示出了根据本文所述实施方式的脉冲直流电源供应器的操作方法。
具体实施方式
现在将对于各种示例性实施方式进行详细说明，实施方式的一个或多个例子绘示于各图中。提供各个例子只是用以解释本发明，而非意在限制本发明。例如，作为一个实施方式的一部分而被绘示或描述的特征可用于其他实施方式或与其他实施方式结合，以产生又一实施方式。本公开内容意在包含这样的修改和变化。
在下列附图的描述中，相同的参考标记表示相同或类似的部件。一般而言，仅描述关于个别实施方式的差异。附图中所示的结构不需以实际的尺寸或角度所绘示，且可能夸大特征以较佳地理解对应的实施方式。
图1示出了可在溅射沉积工艺中通过脉冲直流电源供应器施加至溅射靶材的单极脉冲直流电压的特性。时间t显示于横坐标上，电压U显示于纵座标上，使用任意单位(Arbitrary unit)。在图1中，电压在开启周期(工作周期)期间为负常数值，开启周期(on-cycle)的开启时期(on-period)(即开启周期持续的时间长度)被标示为Ton。在图1中，电压在关闭周期(逆向脉冲)期间为小的正常数值，关闭周期的关闭时期(即关闭周期持续的时间长度)被标示为Toff。一个脉冲是由一个开启周期和一个关闭周期所组成的，或者换言之是由一个开启脉冲和一个逆向脉冲所组成的。由于脉冲的重复图案，本文中的脉冲亦称作脉冲周期。脉冲时期或脉冲长度(即脉冲持续的时间长度)被标示为Tpulse，且为Ton与Toff的总和。操作频率或脉冲频率标示为Fpulse，是脉冲时期的倒数。
脉冲频率、开启周期的长度(工作周期的时期)及关闭周期的长度(逆向脉冲的时期)可通过操作者基于操作者的经验进行设定。例如，操作者可设定一标称脉冲频率，且可设定开启周期的长度、或开启周期的长度及关闭周期的长度之间的比值、及上文所解释的Tpulse、Ton及Toff所遵循的数学关系。当此种单极脉冲直流电压由脉冲直流电压供应器输出并施加至溅射靶材时，溅射可在开启周期期间发生，而逆向脉冲减少了由于溅射靶材放电导致的电弧。但如果脉冲直流电压供应器的操作参数，例如是脉冲频率和逆向脉冲时期没有适当地设定，或溅射工艺的条件随着时间而改变，或以不可预期的方式表现，仍可变得频繁地产生电弧。频繁的电弧形成可能降低效率及可能降低溅射沉积工艺的品质，可能必须要频繁使用额外的方法，例如是通过特殊的电弧抑制电路进行电弧抑制。
在本文所述的实施方式中，用于提供单极脉冲直流电源的脉冲直流电源供应器是在电流脉冲周期期间(具体是在电流脉冲周期的关闭周期期间)，基于测量一个或多个电量，确定何时开始下一个脉冲周期的开启周期的条件。当脉冲直流电源供应器提供单极脉冲直流电源给溅射沉积工艺时，此何时开始下一个脉冲周期的开启周期的条件可以是电荷移除条件(charge removal condition)，即表示已通过关闭周期的关闭周期电压(逆向脉冲电压)将累积于一个或多个溅射靶材上的电荷移除的条件。仅有在电荷移除条件完成之后，下一个脉冲周期接着由开启周期开始。相对于图1所示的条件，关闭周期的长度(即关闭周期时期)可依据所测量的实际电量(例如是实际电流和/或实际电压)改变。在图1中，仅在操作者不同地设定标称操作参数(nominal operating parameter)(例如是标称操作频率(及因而为标称脉冲长度)或关闭周期或开启周期的标称长度)时，关闭周期的长度可改变。
根据本文所述实施方式的脉冲直流电源供应器因而并非通过操作者设定的操作参数所预定的时间而简单地设定标称开启周期电压和标称关闭周期电压，而是当通过脉冲直流电源供应器察觉时可对于实际发生的工艺条件智能地反应。由于电流脉冲周期的关闭周期维持至实际电量的特定条件已完成，具体是表示电荷由溅射靶材(一个或多个)移除的电荷移除条件，即使溅射沉积工艺的工艺条件改变，脉冲直流电源供应器可一直保证充分的或至少足够的电荷移除以减少或甚至防止电弧。
电荷移除条件可以是通过脉冲直流电源供应器所测量的实际关闭周期电流的零线条件。这表示开启周期直流电压被再次设定，一旦脉冲直流电源供应器确定所测量的关闭周期电流为零或足以接近零时，则启动下一个脉冲周期的开启周期。不希望受任何特定理论的束缚，相信实际的关闭周期电流的这种零线条件的存在(即，完成)，表示从溅射靶材移除足够的电荷。
由于取决于由脉冲直流电源供应器测量的实际电量，关闭周期时期从脉冲周期到脉冲周期是可变的，标称开启周期时期Ton和可变关闭周期时期Toff的总和不一定等于标称脉冲时期Tpulse，标称脉冲时期Tpulse是标称脉冲频率Fpulse的倒数。根据一些实施方式，调整开启周期时期(第一机制)。开启周期时期可以调整，使得开启周期时期与关闭周期时期的总和收敛(converge)到标称脉冲时期，或者至少平均等于或接近标称脉冲时期。根据其他实施方式，替代地调整脉冲频率并因此调整脉冲时期(第二机制)。两种机制也可以联合实施，由特定条件协调何时应用第一机制以及何时应用第二机制。第一机制(对开启周期时期的调整)可以是默认机制(default mechanism)，并用于微调脉冲直流电源供应器的输出。第二机制(对脉冲频率的调整)可以更少使用，用于更粗略的调整，例如，如果通过第一机制的精细调整不能满足某些品质条件。
图2图解了脉冲直流电源供应器的操作方法。横坐标显示时间t，由脉冲直流电源供应器设定的标称电压Unominal及由脉冲直流电源供应器测量的实际电流Iactual在纵坐标上以任意单位示意性地示出。在图2中示例性地示出了5个脉冲周期。在脉冲周期的开启周期期间，标称电压被设置为恒定的开启周期电压，其值为负，例如几百伏。在脉冲周期的关闭周期(逆向脉冲)期间，标称电压被设置为恒定的关闭周期电压，其值为正并且至少比开启周期电压小一个数量级，例如，几十伏。脉冲直流电源供应器至少在每个关闭周期期间测量实际电流Iactual，只有当一旦脉冲直流电源供应器根据测量的实际电流Iactual确定存在实际电流Iactual的零线条件时，则从开启周期开始触发下一个脉冲周期。这种模式可见于显示5个脉冲周期的图2中，一旦根据测量结果确定实际电流Iactual为零或实质上为零时，则标称电压Unominal就被设定为负的开启周期电压。
可以看出(例如由图2所示的第二脉冲周期看出)，一旦标称脉冲时期结束，则标称电压不必设定至开启周期电压，如图1中的情形那样。由于第二脉冲周期的实际脉冲周期更长，因此第二脉冲周期的标称脉冲时期用虚线表示的箭头表示。原因是实际电流Iactual仅在标称脉冲时期结束后才满足零线条件。脉冲直流电源供应器等待触发下一个第三脉冲周期的开启周期，直到实际确定存在零线条件，而不管标称脉冲时期如何。
在图2所示的实施方式中，脉冲直流电源供应器确定第二脉冲周期的关闭周期的长度，即第二脉冲周期的关闭周期时期。对于第三脉冲周期，脉冲直流电源供应器使开启周期时期缩短，例如是通过将开启周期时期Ton设定为标称脉冲时期与所确定第二脉冲周期的关闭周期时期之间的差值。相反地，如图2的第四脉冲周期和第五脉冲周期所示，脉冲直流电源供应器可以使开启周期时期更长。在第四脉冲周期中，在标称脉冲时期(再次使用箭头及虚线表示)过去之前，达到实际电流Iactual的零线条件。通过将开启周期时期Ton设定为标称脉冲时期与所确定的第四脉冲周期的关闭周期时期之间的差值，开启周期时期Ton在第五脉冲周期期间变更长。在图2所示的脉冲周期期间，标称脉冲时期Tpulse和标称脉冲频率Fpulse＝1/Tpulse不会改变。只有开启周期时期适应于可变的关闭周期时期(第一机制)。
当脉冲直流电源供应器用于提供单极脉冲直流电源于溅射沉积工艺时，溅射仅在开启周期(工作周期)期间进行。因此，如图2所示，由于确保满足零线条件形式的电荷移除条件，脉冲直流电源供应器输出单极脉冲直流电源可以减少电弧，并且由于在给定的标称脉冲时期的约束下将开启周期时期最大化，可以提高溅射沉积工艺效率。工作因数(dutyfactor)最大化，无需操作者干预。工作因数应理解为开启周期时期与标称脉冲时期之间的比值。
图3图解了脉冲直流电源供应器的另一种操作方法。显示3个脉冲周期，其中前两个脉冲周期与图2中的相同。省略其进一步的描述。如图2所示，脉冲直流电源供应器确定第二脉冲周期的关闭周期的长度，即第二脉冲周期的关闭周期时期。与图2所示的操作方法相反，标称脉冲频率降低，因此标称脉冲时期设定为较第三脉冲周期和随后的脉冲周期更长，直到根据第二机制再次改变标称脉冲频率。具体地，标称脉冲时期可以被设置为开启周期时期和所确定的第二脉冲的关闭周期时期的总和，如图3所示。设定标称脉冲频率或标称脉冲时期至一新值可以通过脉冲直流电源供应器自动完成，或者在可能被通知的操作者确认后完成，例如是经由显示器。
在图3中，标称脉冲频率减小，因此标称脉冲时期Tpulse增加。标称操作频率也可增加，标称脉冲时期可变短。为了说明，假想在图2中的第4个脉冲之后，通过将标称脉冲时期设定为第4个脉冲的开启周期时期与关闭周期时期的总和，而不是采用如图2所示的开启周期时期，可以缩短第5个脉冲的标称脉冲时期。然而，关于溅射沉积工艺的工艺稳定性方面，相较于增加标称脉冲频率，降低标称脉冲频率被认为风险较小。但是，例如，如果已知特定的溅射沉积工艺可以在一定范围内可容许的标称脉冲频率内稳定工作，则只要标称脉冲频率可以保持在可容许的标称脉冲频率范围内，标称脉冲频率就可以增加或减少。
关于图3描述的第二机制是通过确定零线条件作为电荷移除条件的形式来确保溅射靶材被充分放电，并且为实际电流提供足够的时间以在关闭周期期间实现零线条件。
图2中所示的第一机制与图3中所示的第二机制也可以在脉冲直流电源供应器中联合使用。第一机制可以用作默认机制，并且如果满足某些操作参数不匹配条件，则使用第二机制。例如，如果使用第一机制导致开启周期变得不可接受地短暂的条件，或者换言之，工作因数及因此溅射沉积工艺效率变得不可接受地低，这可能表示标称脉冲频率设定得太高。然后，脉冲直流电源供应器可以自动地或通过操作者进行确认半自动地切换，以在回去使用第一机制(再作为默认机制)之前使用第二机制。
脉冲直流电源供应器可以基于电流测量和评估测量结果是否满足特定条件，自动或半自动地确保从溅射靶材移除足够的电荷，使开启周期的长度最佳化(即最佳化工作因数)，并设定适当的标称脉冲频率。因此可以提高溅射沉积工艺的效率和稳定性，并且可以显著减少电弧。当然，脉冲直流电源供应器还可以另外包括专用的电弧抑制电路，一旦通过专用的电弧抑制电路检测到电弧的形成便予以抵消。通过专用的电弧抑制电路触发一个或多个逆向脉冲以熄灭所检测到的电弧，而能优先于本文所述的规则单极脉冲发生而进行。
根据本文描述的实施方式，提供了脉冲直流电源供应器。脉冲直流电源供应器被配置为提供单极脉冲直流电源。提供单极脉冲直流电源可以是脉冲直流电源供应器的一种操作模式。脉冲直流电源供应器可具有其他操作模式，例如双极脉冲直流电源模式。脉冲直流电源供应器可以是压控脉冲直流电源供应器(voltage-controlled pulsed DC powersupply)。脉冲直流电源供应器可以配置为驱动单极脉冲直流溅射沉积工艺。脉冲直流电源供应器可以连接到溅射沉积系统，具体地可连接到一个或多个溅射靶材。
脉冲直流电源供应器包括脉冲单元。脉冲直流电源供应器可包括作为分离部件的直流电压源。或者，脉冲单元可包括直流电压源。脉冲单元和直流电压源可以彼此为一体。脉冲单元可以被配置为通过直流电压源对输出的直流电压进行塑形，以便形成单极脉冲直流电压。脉冲直流电源供应器的输出的实际单极脉冲直流电压可以取决于脉冲直流电源所连接的系统的电特性。对于脉冲直流电源供应器，连接脉冲直流电源供应器的系统可能表现为与时间相关的复值阻抗(complex-valued impedance)。这种系统可以是溅射沉积系统，但可以是模拟沉积系统性质的测试装置。
脉冲单元被配置为设定标称开启周期直流电压并设定标称关闭周期直流电压。标称量是脉冲直流电源供应器设定的操作参数，可通过脉冲直流电源供应器本身或由操作者设定。脉冲单元可以交替地设定标称开启周期电压和标称关闭周期电压。标称开启周期直流电压在开启周期期间设定。开启周期是从标称开启周期直流电压设定的时刻持续到随后的标称关闭周期直流电压设定的时刻。开启周期的时间长度称为开启周期时期。在关闭周期期间设定标称关闭周期直流电压。关闭周期从标称关闭周期直流电压设定的时刻持续到随后的标称开启周期直流电压设定的时刻。关闭周期的时间长度称为关闭周期时期。关闭周期也可以称为逆向脉冲，关闭周期时期也可以称为逆向脉冲长度或关闭时间。因此，标称单极脉冲直流电压具有方波图案，而实际的单极脉冲直流电压可能受到脉冲直流电源供应器耦合的系统的反作用的干扰。
一个开启周期和一个直接跟随着的关闭周期形成单极脉冲周期，也简称为脉冲周期。脉冲周期的时间长度称为脉冲时期。脉冲时期的倒数称为脉冲频率。标称脉冲频率也称为脉冲直流电源供应器的操作频率。脉冲单元可以被配置为用于交替地在脉冲直流电源供应器的单极脉冲周期的开启周期期间设定标称开启周期直流电压，以及在关闭周期期间设定标称关闭周期电压。
标称开启周期直流电压可以设定为-100V至-1000V范围内的值，例如是-100V至-200V。标称关闭周期直流电压可以设定为在零伏至高达具有反向符号的标称开启周期直流电压范围内的值，例如高达100V至1000V的正电压。标称关闭周期直流电压可以在0V至100V的范围内，例如0V至20V或5V至20V。相较于标称开启周期直流电压的绝对值，标称关闭周期直流电压的绝对值可以至少小5倍，或甚至小至少十倍甚至至少小20倍。标称脉冲频率(操作频率)可以具有100Hz至200KHz范围内的值，具体是100kHz至100KHz范围内的值，例如1kHz至100kHz。因此，作为标称脉冲频率的倒数的标称脉冲时期可以具有10000μs至5μs范围内的值，更具体地10000μs至10μs范围内的值，例如1000μs至10μs。
脉冲直流电源供应器包括电流测量单元。电流测量单元可以被配置为至少在关闭周期期间测量实际电流，并且可能另外还在开启周期期间测量实际电流。关闭周期期间的实际电流称为关闭周期电流。电流测量单元被配置为在关闭周期期间测量关闭周期电流。电流测量单元可以是具有模拟输出(analog output)的模拟装置。或者，电流测量单元可包括模拟数字转换器，用于将模拟测量值转换成相应的数字值。然后，由于输出数字值，电流测量单元被视为数字装置。
电流测量单元可以是电流探针，具体是直流电流探针，或者可以包括这样的电流探针。电流探针可包括一个或多个霍尔传感器(Hall sensor)。电流探针可以生成模拟测量值。电流探针可以产生与测量电流(具体是所测量的关闭周期电流)成比例的探针电压。电流测量单元可包括模拟数字转换器，所述模拟数字转换器被配置为对探针电压或表示关闭周期电流的其他模拟测量值进行采样和数字化。
脉冲直流电源供应器包括零线确定单元(zero-line determination unit)。电流测量单元可以被配置为将测量值(例如模拟值或数字值)传递给零线确定单元。如果模拟值被传递到零线确定单元，即，如果电流测量单元是模拟装置，则零线确定单元可包括模拟数字转换器，用于将接收的模拟测量值转换成相应的数字值。零线确定单元被配置为确定所测量的关闭周期电流的零线条件的存在。如果关闭周期电流为零或至少实质上为零，或者在预定范围内，则存在零线条件。预定范围可包括零的电流值，但是(例如)如果施加一些偏压可以替代地排除零。
如果电流值处于零线条件范围内(例如在-0.1A和0.1A之间)，则可以说关闭周期电流实质上为零。由于关闭周期电流可以由测量值表示(例如电流探针的探针电压)，探针电压与测量的关闭周期电流成比例的条件下，如果这些值为零或实质上为零，则可以确定存在零线条件。在此上下文中，实质上为零意味着表示关闭周期电流值的测量值在特定范围内，使得测量值表示的关闭周期电流值在零线条件范围内。例如，如果电流探针的探针电压是测量的关闭周期电流的k倍，k是比例常数，那么如果探针电压在-k*0.1V至k*0.1V的范围内，则确定存在零线条件。
零线确定单元可被配置为分析测量的关闭周期电流的测量值(例如采样及数字化电流探针的测量值)。零线确定单元可被配置为确定来自电流探针的探针电压何时为零或至少实质上为零。如果发现表示关闭周期电流的探针电压或其他测量值为零或至少实质上为零，则零线确定单元确定存在测量的关闭周期电流的零线条件。零线确定单元可以生成表示存在零线条件的信号(例如数字信号)，其可以小到1位元(bit)(例如逻辑1)。信号可以馈送到脉冲单元。
脉冲单元被配置为在确定所测量的关闭周期电流的零线条件存在时设定标称开启周期直流电压。这意味着，可以在检测到存在零线条件时触发下一个由开启周期开始的脉冲周期。当从零线确定单元接收指示存在测量的关闭周期电流的零线条件的信号时，脉冲单元可以设定标称开启周期直流电压。零线确定单元可以是脉冲单元的子部件或分离的部件。
图4示出了脉冲直流电源供应器100，以图解本文描述的实施方式。脉冲直流电源供应器100被配置为提供单极脉冲直流电源(例如用于溅射沉积工艺)。脉冲直流电源供应器100包括脉冲单元110、电流测量单元120和零线确定单元130。为了说明各个功能，显示具有标称脉冲直流电压的示意图的脉冲单元110，显示具有实际电流的示意图的电流测量单元120，并且显示具有表示存在实际电流的零线条件的触发点的示意图的零线确定单元130。脉冲直流电源供应器100和脉冲单元110、电流测量单元120和零线确定单元130可以如在此描述的实施方式中那样配置。
脉冲直流电源供应器可被配置为根据关闭周期的标称关闭周期电压的设定与确定存在零线条件之间的时间差来确定关闭周期的关闭周期时期。脉冲直流电源供应器可被配置为从标称脉冲时期和确定的关闭周期时期之间的时间差确定开启周期的开启周期时期。标称脉冲时期是脉冲直流电源供应器的标称脉冲频率的倒数。可以通过脉冲单元进行确定。脉冲单元可被配置为在确定的开启周期时期期间(至少在脉冲周期之后的后续脉冲周期期间)，基于开启周期时期的确定，保持标称开启周期直流电压。关于图2描述的第一机制是如何可以从脉冲周期到脉冲周期进行开启周期时期的确定和调整的示例。
脉冲直流电源供应器可被配置为从设定第一脉冲周期的标称开启周期直流电压与设定在确定存在零线条件时的后续第二脉冲周期的标称开启周期直流电压之间的时间差确定第一脉冲周期的实际脉冲时期。可以通过脉冲单元进行确定。脉冲单元可被配置为将脉冲直流电源供应器的标称操作频率设定为对应于所确定的第一脉冲周期的实际脉冲时期的倒数。
脉冲单元可被配置为如果所确定的第一脉冲的实际脉冲时期的倒数在可容许的标称操作频率的范围内，则以这种方式设定标称操作频率。可容许的标称操作频率的范围可取决于脉冲直流电源供应器提供单极脉冲直流电源的具体溅射沉积工艺。可容许的标称操作频率范围可以例如由操作者选择和设定的初始标称操作频率的例如是由±20kHz或±10kHz内的频率组成。由于对于溅射沉积工艺的稳定性而言，降低操作频率被认为比增加操作频率更安全，因此可容许的标称操作频率的范围可以不对称地围绕由操作者选择和设定的初始标称操作频率进行选择。例如，可容许的标称操作频率范围可以从F0-20kHz到F0+5kHz，其中F0是初始标称操作频率。
或者，脉冲单元可被配置为仅当所确定的第一脉冲的实际脉冲时期的倒数低于当前标称操作频率时，将标称操作频率设定为所确定的第一脉冲的实际脉冲时期的倒数。这意味着，脉冲单元只能自动降低标称操作频率。为了提高操作频率，需要操作者的确认。关于图3描述的第二机制是如何将标称操作频率(标称脉冲频率)设定为不同值的示例。
脉冲直流电源供应器可被配置为基于前一脉冲周期的关闭周期的长度来调整脉冲周期的开启周期时期或者调整标称脉冲频率(标称操作频率)，其中决定是否应调整开启周期时期或标称脉冲频率取决于一个或多个特定条件，这里称为操作参数不匹配条件。
脉冲直流电源供应器可被配置为根据设定关闭周期的标称关闭周期电压和确定零线条件的存在之间的时间差来确定关闭周期的关闭周期时期。脉冲直流电源供应器被配置为执行以下评估和相应的动作。如果取决于所确定的关闭周期时期的操作参数不匹配条件不存在，则脉冲直流电源供应器根据脉冲时期和关闭周期时期之间的差来确定开启周期的开启周期时期。脉冲周期是脉冲直流电源供应器的标称操作频率的倒数。脉冲直流电源供应器的脉冲单元接着在确定的开启周期时期期间保持标称开启周期直流电压。如果存在操作参数不匹配条件，则脉冲直流电源供应器自动改变标称操作频率或通知可能确认或不让标称操作频率变化的操作者。标称操作频率可以以本文描述的方式改变。
开启周期时期的调整可以是默认动作(default action)，并且可以仅在存在(即实现)操作参数不匹配条件时进行标称操作频率的调整。一个操作参数不匹配条件可以是工作因数下降至低于阈值工作因数。阈值工作因数可以选自0.8至0.95的范围，例如0.8或0.85。脉冲直流电源供应器可以评估后续脉冲周期的开启周期时期的调整是否会导致工作因数低于阈值工作因数。如果是这种条件(即，如果确定了操作参数不匹配条件)，则改变标称脉冲频率，并另外调整开启周期时期。可以替代地或另外地指定其他操作参数不匹配条件，以便协调何时使用开启周期时期的调整以及何时使用标称操作频率的调整。
脉冲直流电源供应器可包括操作者界面。操作者界面可包括至少一个输入装置(例如键盘、鼠标、触摸屏和类似者)，以及至少一个输出装置(例如显示器或触摸屏)。输出装置可被配置为向操作者输出通知或警报，可能请求操作者经由输入装置输入。输出装置可被配置为输出脉冲直流电源供应器的状态，包括例如当前设定的标称操作参数(例如标称操作频率、标称开启周期电压、标称关闭周期电压等)，并且可能包括瞬时或者时间平均的变量值(例如关闭周期时期、开启周期时间等)。由于变量的瞬时变化对于操作者来说可能太快而无法看到，时间平均可能是有益的。脉冲直流电源供应器可包括存储器，用于存储例如当前设定的标称操作参数，以及要应用的条件(例如操作不匹配条件、电荷移除条件等)。脉冲直流电源供应器可被配置成使得操作者可以改变这些条件和/或可以(例如经由输入装置)改变标称操作参数。存储器还可以存储监控的溅射沉积工艺的日志档(logfile)，例如用于分析目的。
根据另外的实施方式，提供了一种溅射沉积系统。溅射沉积系统包括根据本文描述的实施方式的溅射靶材和脉冲直流电源供应器。脉冲直流电源供应器连接到溅射靶材，以向溅射靶材提供单极脉冲直流电源。
图5示出了用于说明的溅射沉积系统500。溅射沉积系统500包括连接到脉冲直流电源供应器210的溅射靶材510，以及连接到脉冲直流电源供应器220的溅射靶材520。溅射靶材510与520可以是可旋转的溅射靶材，如溅射靶材510中绘示的箭头和轴A所示的。来自溅射靶材510和溅射靶材520的溅射材料可以沉积在基板10上。
溅射沉积系统可包括N个溅射靶材和N个对应的脉冲直流电源供应器，其中N可以在1到30的范围内(例如从1到24或从2到24)。N个脉冲直流电源供应器可以集成到一个脉冲直流电源系统中，服务所有的N个溅射靶材。溅射靶材(一个或多个)可以在溅射沉积工艺期间充当阴极(一或多个)。溅射沉积系统可包括一个或多个阳极(例如阳极棒)，其可布置在溅射靶材之间。或者，溅射腔室可以形成阳极，例如电性接地的溅射腔室。每个脉冲直流电源供应器可以连接到溅射靶材和阳极以闭合(close)电路。
根据另外的实施方式，提供了一种脉冲直流电源供应器的操作方法。所述方法特征可以由脉冲直流电源供应器自动地执行，具体可以由本文所述的单元执行，例如测量单元(如电流探针)、评估单元(如零线条件确定单元)和脉冲单元。一些方法特征可以在从操作者输入之后半自动地执行。脉冲直流电源供应器至少在脉冲直流电源供应器的一种操作模式下提供单极脉冲直流电源。脉冲直流电源供应器可以连接到溅射沉积系统的溅射靶材。
图6图解了脉冲直流电源供应器的操作方法600。所述方法包括为第一脉冲周期设定标称开启周期直流电压，如参考标记610所示。所述方法可包括通过脉冲直流电源供应器输出实际的开启周期直流电压和实际的开启周期直流电流。所述方法包括设定标称关闭周期直流电压，如参考标记620所示，以触发第一脉冲周期的关闭周期，以及测量关闭周期电流，如参考标记630所示。关闭周期电流为第一脉冲周期的关闭周期的实际关闭周期电流。所述方法包括(如参考标记640所示)，由测量确定关闭周期电流的零线条件的存在(即由关闭周期电流的测量)。所述方法包括(如参考标记650所示)，当确定存在零线条件时，为第二脉冲周期设定标称开启周期直流电压。
可以通过脉冲直流电源供应器的脉冲单元来设定第一脉冲周期的标称开启周期直流电压。如果脉冲单元不包括内部直流电压源，输出开启周期直流电压和开启周期直流电流则可能受到脉冲单元的影响，可能与外部直流电压源的输出相关。可以通过脉冲单元设定标称关闭周期直流电压。可以通过测量单元来测量第一脉冲周期的关闭周期的关闭周期电流。可以通过零线确定单元确定零线条件的存在。可以通过脉冲单元设定第二脉冲周期的标称开启周期直流电压。
所述方法可包括根据设定标称关闭周期直流电压和确定零线条件存在的时刻之间的时间差确定关闭周期时期。所述方法可包括根据标称脉冲时期和确定的关闭周期时期之间的差来确定开启周期时期。标称脉冲时期是脉冲直流电源供应器的标称操作频率的倒数。可以通过零线确定单元或脉冲单元进行确定。所述方法可包括在所确定的开启周期时期期间维持第二脉冲周期的标称开启周期直流电压。所述方法可包括设定标称关闭周期直流电压以在所确定的开启周期时期到期时触发第二脉冲周期的关闭周期。
所述方法可包括从设定第一脉冲周期的标称开启周期直流电压和设定第二脉冲周期的标称开启周期直流电压之间的时间差来确定第一脉冲周期的实际脉冲时期。所述方法可包括将标称操作频率设定为对应于所确定的第一脉冲周期的实际脉冲时期的倒数。
所述方法可包括根据设定关闭周期的标称关闭周期直流电压与确定零线条件的存在之间的时间差来确定关闭周期时期。所述方法可进一步包括下列步骤：如果不存在取决于所确定的关闭周期时期的操作参数不匹配条件，则根据标称脉冲时期和所确定的关闭周期时期之间的差来确定开启周期时期，以及在所确定的开启周期时期期间保持第二脉冲周期的标称开启周期直流电压，并且如果存在操作参数不匹配条件，则改变标称操作频率。
如果试验性(tentative)工作因数大于或等于阈值工作因数，则可能不存在操作参数不匹配条件，即，不存在或没有实现。试验性工作因数是标称脉冲时期和确定的关闭周期时期之间的差值除以标称脉冲时期。如果试验性工作因数小于阈值工作因数，则存在操作参数不匹配条件。如果改变标称操作频率，则可以为随后的脉冲周期保持标称操作频率，直到再次改变标称操作频率。
所述方法可包括以下特征：在确定存在零线条件时，设定用于当前的脉冲周期的开启周期的开启周期直流电压，设定当前的脉冲周期的关闭周期的关闭周期直流电压，测量当前的脉冲周期的关闭周期的关闭周期电流，以及确定当前的脉冲周期的关闭周期电流的零线条件的存在。一旦确定存在零线条件，下一个脉冲周期就变成当前的脉冲周期，并且可以重复这些特征。
作为又一示例，提供了一种脉冲直流电源供应器。脉冲直流电源供应器被配置为输出单极脉冲直流电源。脉冲直流电源供应器被配置为基于对脉冲直流电源供应器的至少一个电量的测量来停止脉冲周期的关闭周期。停止可包括开始后续脉冲周期的开启周期。脉冲直流电源供应器可被配置为基于对脉冲直流电源供应器的至少一个电量的测量来调整脉冲周期的关闭周期时期。脉冲直流电源供应器可被配置为调整每个脉冲周期的关闭周期时期。可以由脉冲周期至脉冲周期调整关闭周期时期。取决于至少一个电量的测量值，关闭周期的长度可以是可变的。
脉冲直流电源供应器可包括用于测量脉冲直流电源供应器的至少一个电量的测量单元。可以在脉冲直流电源供应器的输出处测量至少一个电量。所述至少一个电量可以是选自由其电压、电流及时间导数组成的组中的至少一个量。脉冲直流电源供应器可包括评估单元，所述评估单元被配置为评估测量单元的测量值并确定电荷移除条件的存在。脉冲直流电源供应器可包括脉冲单元，脉冲单元用于在脉冲周期的开启周期期间设定标称开启周期直流电压，以及用于在脉冲周期的关闭周期期间设定标称关闭周期电压。脉冲单元可被配置为在确定存在电荷移除条件时设定标称开启周期直流电压。
至少一个电量可以是电流，具体地至少是关闭周期电流。测量单元可包括电流探针，电流探针用于至少在如本文所述的关闭周期期间测量电流。电荷移除条件可以是本文所述的零线条件。
电荷移除条件可以替代地与零线条件不同。例如，电荷移除条件可以是逆向脉冲的零能量条件(zero-energy condition)。这意味着，脉冲直流电源供应器可被配置为确定何时在脉冲直流电源供应器提供单极脉冲直流电源的系统中剩余零能量或实质上零能量。逆向脉冲的零能量条件可以通过随着时间的电压与电流的乘积的积分来确定。当所述积分为零或实质上为零时，可确定存在零能量条件。测量单元可包括电压测量装置和电流测量装置。评估单元可被配置为评估来自电压测量装置的电压测量值和来自电流测量装置的电流测量值，并确定零能量条件的存在。
脉冲直流电源供应器可进一步被配置为基于前一脉冲周期的关闭周期时期来调整脉冲周期的开启周期时期。脉冲直流电源供应器可被配置为基于脉冲周期的关闭周期时期来调整脉冲直流电源供应器的标称脉冲频率。脉冲直流电源供应器可包括或表现出本文关于实施方式描述的所有其他特征，包括基于如本文所述的特定条件调整开启周期时期、标称脉冲频率、或者开启周期时期及标称脉冲频率两者的机制。
根据又一示例，提供了一种这种脉冲直流电源供应器的操作方法。所述方法包括基于对脉冲直流电源供应器的至少一个电量的测量来停止单极脉冲周期的关闭周期。停止关闭周期可包括在确定达到电荷移除条件时停止关闭周期。电荷移除条件的实现取决于至少一个电量的测量。电荷移除条件可以如上文所述。
所述方法可包括执行如本文所述的脉冲直流电源供应器的一些或所有功能。此外，提供了溅射沉积系统的操作方法，其可包括执行本文所述的溅射沉积系统的一些或所有功能。又一方面涉及脉冲直流电源供应器用于提供单极脉冲直流电源的用途，例如提供给如本文所述的溅射沉积系统的溅射靶材。所述用途可包括自动确定标称电压的单极脉冲周期的关闭周期的长度(即关闭周期时期)，如上所述。又一方面涉及使用如本文所述的溅射沉积系统溅射基板的方法。
本文使用的术语和表达用作描述的术语而非限制，并且在使用这些术语和表达时，无意排除所示和所述特征或其部分的任何同等物。虽然前述内容针对实施方式，但是可以在不脱离范围的情况下设计出其他和进一步的实施方式，并且保护范围由随附的权利要求书确定。

Claims (15)

1.一种用于提供单极脉冲直流电源的脉冲直流电源供应器(100)，包括：
脉冲单元(110)，所述脉冲单元用于交替地于所述脉冲直流电源供应器的单极脉冲周期的开启周期期间设定标称开启周期直流电压和在关闭周期期间设定标称关闭周期电压；
电流测量单元(120)，所述电流测量单元配置用于在关闭周期期间测量关闭周期电流；和
零线确定单元(130)，所述零线确定单元配置用以确定所测量的关闭周期电流的零线条件的存在；
其中所述脉冲单元被配置用于在确定存在所述所测量的关闭周期电流的所述零线条件时，设定所述标称开启周期直流电压。
2.根据权利要求1所述的脉冲直流电源供应器，其中所述脉冲直流电源供应器被配置为根据设定所述关闭周期的所述标称关闭周期电压与确定存在所述零线条件之间的时间差，确定所述关闭周期的关闭周期时期，且所述脉冲直流电源供应器被配置为根据标称脉冲时期与所确定的所述关闭周期时期之间的时间差，确定开启周期的开启周期时期，所述标称脉冲时期为所述脉冲直流电源供应器的标称脉冲频率的倒数；并且
其中所述脉冲单元被配置为在所确定的所述开启周期时期期间维持所述标称开启周期直流电压。
3.根据权利要求1所述的脉冲直流电源供应器，其中所述脉冲直流电源供应器被配置为根据设定用于第一脉冲周期的标称开启周期直流电压与在确定存在所述零线条件时设定后续第二脉冲周期的标称开启周期直流电压之间的时间差，确定所述第一脉冲周期的实际脉冲时期，以及
其中所述脉冲直流电源供应器被配置为设定所述脉冲直流电源供应器的标称操作频率，以对应于所述第一脉冲周期的所确定的所述实际脉冲时期的倒数。
4.根据权利要求1所述的脉冲直流电源供应器，其中所述脉冲单元被配置为根据设定所述关闭周期的所述标称关闭周期电压和确定存在所述零线条件之间的时间差来确定所述关闭周期的关闭周期时期；并且
如果不存在取决于所确定的关闭周期时期的操作参数不匹配条件，则从标称脉冲时期和所述关闭周期时期之间的时间差确定开启周期的开启周期时期，所述标称脉冲时期是所述脉冲直流电源供应器的标称操作频率的倒数，并且在所确定的所述开启周期时期期间保持所述标称开启周期直流电压；和
如果存在所述操作参数不匹配条件，则改变所述标称操作频率。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的脉冲直流电源供应器，其中所述电流测量单元包括下列中的至少一个：用于测量所述关闭周期电流并输出表示所述关闭周期电流的相应测量值的电流探针，以及用于将表示所述关闭周期电流的测量值转换为数字值的模拟数字转换器。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的脉冲直流电源供应器，其中当表示所测量的关闭周期电流的测量值为零或在预定范围内时，通过所述零线确定单元确定所述零线条件的存在。
7.一种用于提供单极脉冲直流电源的脉冲直流电源供应器，包括：
脉冲单元，所述脉冲单元被配置为在所述脉冲直流电源供应器的单极脉冲周期的开启周期期间设定标称开启周期直流电压，并且被配置为在所述脉冲直流电源供应器的单极脉冲周期的关闭周期期间设定标称关闭周期电压；
测量单元，所述测量单元被配置为测量所述脉冲直流电源供应器的至少一个电量；和
评估单元，所述评估单元被配置为根据所测量的所述至少一个电量的测量值的评估来确定预定条件的存在，
其中所述脉冲单元被配置为在确定存在所述预定条件时设定所述标称开启周期直流电压。
8.根据权利要求7所述的脉冲直流电源供应器，其中
(a)所测量的所述至少一个电量包括电压和电流，并且所述预定条件是零能量条件，或
(b)其中所测量的所述至少一个电量包括关闭周期电流，并且所述预定条件是测量的关闭周期电流的零线条件。
9.一种溅射沉积系统(500)，包括：
溅射靶材(510，520)；和
根据权利要求1至8中任一项所述的脉冲直流电源供应器(100；210，220)，
其中所述脉冲直流电源供应器连接到所述溅射靶材，以向所述溅射靶材提供单极脉冲直流电源。
10.一种提供单极脉冲直流电源的脉冲直流电源供应器的操作方法(600)，所述方法包括：
设定(610)所述脉冲直流电源供应器的第一脉冲周期的标称开启周期直流电压，并通过所述脉冲直流电源供应器输出开启周期直流电压和开启周期直流电流；
设定(620)标称关闭周期直流电压以触发所述第一脉冲周期的关闭周期；
通过所述脉冲直流电源供应器测量(630)关闭周期电流；
确定(640)来自测量的所述关闭周期电流的零线条件的存在；和
当确定存在所述零线条件时，设定(650)第二脉冲周期的标称开启周期直流电压。
11.根据权利要求10所述的方法，包括：
根据设定所述标称关闭周期直流电压与确定存在所述零线条件之间的时间差来确定关闭周期时期；
根据标称脉冲时期与所述关闭周期时期之间的差值来确定开启周期时期，所述标称脉冲时期是所述脉冲直流电源供应器的标称操作频率的倒数；和
在确定的所述开启周期时期期间保持所述第二脉冲周期的所述标称开启周期直流电压。
12.根据权利要求10所述的方法，包括：
根据设定所述第一脉冲周期的所述标称开启周期直流电压与设定所述第二脉冲周期的所述标称开启周期直流电压之间的时间差来确定所述第一脉冲周期的实际脉冲时期；和
设定标称操作频率以对应于所确定的实际脉冲时期的倒数。
13.根据权利要求10所述的方法，包括：
根据设定所述关闭周期的所述标称关闭周期直流电压与确定存在所述零线条件之间的时间差来确定关闭周期时期；
如果不存在取决于所确定的关闭周期时期的操作参数不匹配条件，则根据标称脉冲时期与所确定的所述关闭周期时期之间的差来确定开启周期时期，所述标称脉冲时期是所述脉冲直流电源供应器的标称操作频率的倒数，并将所述第二脉冲周期的所述标称开启周期直流电压维持与所确定的所述开启周期时期相对应的时间长度；和
如果存在所述操作参数不匹配条件，则改变所述标称操作频率。
14.根据权利要求13所述的方法，其中如果试验性工作因数大于或等于阈值工作因数，则不存在所述操作参数不匹配条件，其中所述试验性工作因数是所述标称脉冲时期与所确定的关闭周期时期之间的时间差除以所述标称脉冲时期，并且其中如果所述试验性工作因数小于所述阈值工作因数，则存在所述操作参数不匹配条件。
15.根据权利要求10-14中任一项所述的方法，其中通过所述脉冲直流电源供应器测量所述关闭周期电流包括产生表示所述关闭周期电流的测量值，并且其中确定所述关闭周期电流的所述零线条件的存在包括评估所述测量值是否为零或者在预定范围内。
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