CN112080728B - HiPIMS系统及减小HiPIMS放电电流延迟的方法 - Google Patents

HiPIMS系统及减小HiPIMS放电电流延迟的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种HiPIMS系统及减小HiPIMS放电电流延迟的方法，HiPIMS系统，包括真空室和电源，所述真空室包括阴极靶，所述电源在电源正极输出端具有电感，在阴极靶与阳极之间并联一个电容，该电容与所述电感形成LC串联振荡电路，利用LC振荡产生的高电压，实现气体快速击穿。本发明在不需要更改HiPIMS电源及额外的配置的情况下，利用辅助电路振荡实现快速的HiPIMS气体击穿放电，增加了脉冲期间向等离子体中的输入能量。

Description

HiPIMS系统及减小HiPIMS放电电流延迟的方法
技术领域
本发明涉及磁控溅射的设备和方法，尤其涉及高能冲击磁控溅射(HiPIMS：High-Power Impulse Magnetron Sputtering)。
背景技术
HiPIMS(High-Power Impulse Magnetron Sputtering，高能冲击磁控溅射)技术的典型特点在于其低占空比(～1％)、低频率(～10-1000Hz)及高峰值功率(MW)的脉冲放电模式。脉冲放电必然会面临着气体击穿的过程，因此会造成与HiPIMS负脉冲放电电压相比较，放电电流的初期存在几微秒到几十微秒的延迟，尤其在相对较低的电压和气压的情况下表现得非常明显，甚至可能出现无法放电的现象。近年来，通过对HiPIMS不断地探索，研究者发现短脉冲、低气压似乎对薄膜的形成更为有利，而电流延迟的存在，会直接影响着放电的瞬时、平均功率，影响着等离子体能量的输入，进而影响着薄膜的性能。
以往改善电流延迟的方法是在负脉冲关闭后，电源继续提供一个低直流电压，来维持较弱的辉光放电，为脉冲放电提供电荷粒子，达到快速放电的效果，该方法被称为预离化HiPIMS或者复合直流HiPIMS。但是，这种方法的弊病在于：较高的放电平均功率，对靶材冷却提出更高的要求，会提高靶的温度；而且持续的辉光放电，抑制了脉冲关闭期间靶表面附近气体粒子的回填，加剧了气体原子的稀释效应，造成溅射效果减弱。更为令人关注是，复合直流HiPIMS增加了电源制作成本，阻碍该技术在工业生产上的推广。另外，亦有研究者试图提高靶电压来达到快速气体击穿目的，但是该方法在提高靶电压的同时，也提高了靶材离子的回吸率，并极有可能会产生从辉光放电到弧光放电的转变，同样是在改善放电的同时带来了不可控的负面效果。
发明内容
本发明目的之一在于提供一种经济、实用的HiPIMS系统，其能够有效减少HiPIMS放电电流延迟以实现快速气体击穿。
本发明另一目的在于提供一种经济、实用的减小HiPIMS放电电流延迟的方法，其能够有效减少HiPIMS放电电流延迟以实现快速气体击穿。
为实现上述目的，本发明提供一种HiPIMS系统，包括真空室和电源，所述真空室包括阴极靶，所述电源在电源正极输出端具有电感，在阴极靶与阳极之间并联一个电容，该电容与所述电感形成LC串联振荡电路，利用LC振荡产生的高电压，实现气体快速击穿。
作为优选方式，所述电感是所述电源在电源输出端具有的内置电感。
作为优选方式，所述LC串联振荡电路在振荡时电容两端峰值电压应超过电源输出端电压的1～10倍范围为宜。
作为优选方式，所述电源采用IGBT开关进行脉冲斩波，在所述LC串联振荡电路的振荡电压不足以短时间击穿气体的情况下，与两电极并联的所述电容无法放电，实现高压保持功能，确保实现减小HiPIMS放电电流延迟。
作为优选方式，在高压快速击穿气体时，高电压维持的时间范围为0.01～300μs；在高电压不能快速击穿气体时，高电压维持的时间与电流延迟的时间相同。
作为优选方式，在阴极靶与阳极之间并联有示波器电压探头，并且在阴极靶与阳极之间的电路中串联设置有电流传感器。
另一方面，本发明提供一种减少HiPIMS放电电流延迟的方法，包括如下步骤：步骤一：当HiPIMS电源在电源输出端具有的内置电感时，测量HiPIMS电源输出端内置电感值，配置合适的电容，组成LC串联振荡电路；若HiPIMS电源在电源输出端未配置内置电感，则先在电源任意输出端和对应电极之间串联一个合适电感，再配置合适的电容C，组成LC串联振荡电路；步骤二：完成对放电系统预先抽真空；步骤三：将所述电容并联在阴极靶材和阳极之间，以将LC振荡产生的高电压信号施加在阴极靶上；当振荡高压负脉冲施加在两电极之间后，增强电极之间的电场，提高电子的能量，增强离化作用的同时，也使得更多的离子轰击靶材以产生二次电子，电子雪崩效应快速形成，辉光放电产生可测量的电流；脉冲放电后，等离子体阻抗较小，电路中电容的作用被严重削弱，无法再次振荡产生高电压信号，抑制了放电从辉光到弧光的转变；步骤四：调试电容值，以实现最佳的LC振荡配置，实现快速气体击穿。
作为优选方式，所述LC串联振荡电路在振荡时电容两端峰值电压应超过电源输出端电压的1～10倍范围为宜。
作为优选方式，步骤三中，当所述电源是采用IGBT开关进行脉冲斩波时，在所述LC串联振荡电路的振荡电压不足以短时间击穿气体的情况下，与两电极并联的所述电容无法放电，实现高压保持功能，确保实现减小HiPIMS放电电流延迟；若所述电源未采用IGBT进行斩波，所述LC串联振荡电路也具备高振荡电压快速放电的功能。
作为优选方式，步骤三中，在高压快速击穿气体时，高电压维持的时间范围为0.01～300μs；在高电压不能快速击穿气体时，高电压维持的时间与电流延迟的时间相同。
与现有技术相比，本发明利用LC串联电路的振荡特性，将电容并联在两电极之间，脉冲初期在电容两端产生的高电压信号，增强电场强度，提高离子、电子的能量，实现气体的快速击穿。另外，当振荡电压不足以短时间击穿气体的情况下，能够实现高压保持功能。脉冲放电后，等离子体阻抗较小，电路中电容的作用被严重削弱，无法再次振荡产生高电压信号，抑制弧光放电产生。
本发明方法简单，只需要一个适当的电容，可能需要再配置一个适当的电感，不需要更改HiPIMS电源及额外的配置，成本低。利用辅助电路振荡可以实现快速的HiPIMS气体击穿放电，增加了脉冲期间向等离子体中的输入能量。
附图说明
图1是本发明HiPIMS系统的一种实施方式的示意图。
图2是电源电感50μH、选用电容的容抗为22.5nF时，在电源输出端-500V，最高震荡电压为-800V条件下的靶电压、靶电流的波形图。
图3是普通HiPIMS放电与辅助电路振荡HiPIMS放电，电源电感50μH、选用电容的容抗为22.5nF时，在电源输出端-800V条件下的靶电压、靶电流的波形图。
图4是在不同放电模式中电流延迟时间与电源输出端电压(即电压稳定时的靶电压)的关系图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本发明的HiPIMS系统及减小HiPIMS放电电流延迟的方法的实施方式。
在此记载的实施方式为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施方式外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施方式的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。
图1是本发明HiPIMS系统的一种实施方式的示意图，用以说明本发明的辅助电路振荡减少HiPIMS电流延迟装置的结构。如图1所示，该实施方式中本发明HiPIMS系统包括：排气口1；真空室2；气体流量控制装置3；进气口4；阴极靶5；HiPIMS电源6；高压直流模块7；IGBT开关8；HiPIMS电源内置电感9；电源负极输出端10；电源正极输出端11；辅助电容12；示波器电压探头13；电流传感器14；接地线15。
在该实施方式中，HiPIMS系统包括真空室2和电源6，真空室2包括阴极靶5，电源6在电源正极输出端具有内置电感9，当然，在本发明中，电源6也可不具有内置电感，那么需要在电源任意输出端和对应电极之间串联一个合适电感。
在阴极靶5与阳极之间并联一个电容12，该电容12与电感9形成LC串联振荡电路，利用LC振荡产生的高电压，实现气体快速击穿。
在阴极靶5与阳极之间并联有示波器电压探头13，以测量电压；在阴极靶5与阳极之间的电路中串联设置有电流传感器14，以测量电流，从而便于选择合适的电感和电容。
在本实施方式中，在阴极靶5与阳极之间并联一个适当的电容，与电源电感形成LC串联振荡电路；利用LC振荡产生的高电压，实现气体快速击穿。另外，由于HiPIMS电源的IGBT开关8具有单向导通的特性，在振荡电压不足以短时间击穿气体的情况下，与两电极并联的电容无法放电，实现高压保持功能，阴极靶5维持高压，达到减小HiPIMS放电电流延迟。
本发明的HiPIMS电源也可以不采用IGBT进行斩波，在此情况下，本发明设置的LC串联振荡电路也具备高振荡电压快速放电的功能。
在本发明中，LC串联振荡电路在振荡时电容两端峰值电压应超过电源输出端电压的1～10倍范围为宜。
在本发明中，在高压快速击穿气体时，高电压维持的时间范围为0.01～300μs；在高电压不能快速击穿气体时，高电压维持的时间与电流延迟的时间相同。
下面说明本发明的减少HiPIMS放电电流延迟的方法的实施方式。
本发明的减少HiPIMS放电电流延迟的方法包括如下步骤：
步骤一：当HiPIMS电源在电源输出端具有的内置电感时，测量HiPIMS电源输出端内置电感值，配置合适的电容，组成LC串联振荡电路；若HiPIMS电源在电源输出端未配置内置电感，则先在电源任意输出端和对应电极之间串联一个合适电感，再配置合适的电容C，组成LC串联振荡电路；
步骤二：完成对放电系统预先抽真空；
步骤三：将所述电容并联在阴极靶材和阳极之间，以将LC振荡产生的高电压信号施加在阴极靶上；当振荡高压负脉冲施加在两电极之间后，增强电极之间的电场，提高电子的能量，增强离化作用的同时，也使得更多的离子轰击靶材以产生二次电子，电子雪崩效应快速形成，辉光放电产生可测量的电流；脉冲放电后，等离子体阻抗较小，电路中电容的作用被严重削弱，无法再次振荡产生高电压信号，抑制了放电从辉光到弧光的转变；
步骤四：调试电容值，以实现最佳的LC振荡配置，实现快速气体击穿。
在本发明方法中，所述LC串联振荡电路在振荡时电容两端峰值电压应超过电源输出端电压的1～10倍范围为宜。
在本发明方法的步骤三中，当所述电源是采用IGBT开关进行脉冲斩波时，在所述LC串联振荡电路的振荡电压不足以短时间击穿气体的情况下，与两电极并联的所述电容无法放电，实现高压保持功能，确保实现减小HiPIMS放电电流延迟；若所述电源未采用IGBT进行斩波，所述LC串联振荡电路也具备高振荡电压快速放电的功能。
在本发明方法的步骤三中，在高压快速击穿气体时，高电压维持的时间范围为0.01～300μs；在高电压不能快速击穿气体时，高电压维持的时间与电流延迟的时间相同。
下面参照附图说明本发明实施方式的示例
示例1
图2是电源电感50μH、选用电容的容抗为22.5nF时，在电源输出端-500V，最高震荡电压为-800V条件下的靶电压、靶电流的波形图。气体未击穿时，电压可以维持在-800V直到气体被击穿。放电条件：气体为0.5Pa的氩气，靶材Cr靶，脉冲宽度200μs，脉冲频率50Hz。
图3是普通HiPIMS放电与辅助电路振荡HiPIMS放电，电源电感50μH、选用电容的容抗为22.5nF时，在电源输出端-800V条件下的靶电压、靶电流的波形图。放电条件：气体为0.5Pa的氩气，靶材Cr靶，脉冲宽度200μs，脉冲频率50Hz。
参见图2和3，示例1选用输出端配置有50μH的电感、IGBT的HiPIMS电源与22.5nF的电容组成辅助电路振荡HiPIMS系统，采用图1的装置，研究增强电路振荡减少HiPIMS电流延迟的方法，具体步骤如下：
步骤一：选用22.5nF的电容并联在阴极靶材5与真空室2两端，与HiPIMS电源中的电感9(50μH)、IGBT 8组成串联电路；阴极靶材5为Cr靶，连接电源输出端的负极10，真空室2连接电源输出端的正极11并接地15；气体通过分子泵排气口1排出，气体流量通过气体流量控制器控制3。
步骤二：完成对系统的预抽真空，使得真空室内的真空度达到10-4Pa级别；向真空室中通入氩气，通过流量控制装置3控制气压为0.5Pa。
步骤三：启动HiPIMS电源6开始辉光放电，在脉冲初始时刻，由于配置LC振荡，电容12两端的振荡电压增强电极之间的电场强度，实现快速放电；调节HiPIMS电源6，设定脉冲频率50Hz，脉冲宽度200μs，脉冲电压从-450V开始，以50V的间隔升到-950V，使用示波器电压探头13、电流传感器14分别测量电容12两端电压(即，靶电压)、靶电流，使用示波器存储记录电压、电流波形。
步骤四：在步骤二的基础上，拆卸掉电极之间的电容12，重复步骤三，实现测量普通HiPIMS放电电压、电流波形。
步骤五：使用绘图软件绘制电压电流波形，记录电流的延迟时间，分析电流延迟时间和靶电压设定值之间的关系。
本示例方案的优点：
首先，本示例方案研究了低靶电压、高靶电压情况电路振荡的特征，相对低靶电压条件下，发现在脉冲初期，振荡电压会先升高一个较高的值，由于电路中IGBT的作用，实现高压保持功能，因此靶材电压维持在一个平台，直到气体击穿，如图2所示；相对高靶电压情况下，振荡电压可达-1500V，气体被迅速击穿，实现HiPIMS的快速放电，如图3所示。本实施方案还对比了HiPIMS和辅助电路振荡HiPIMS的电流延迟的大小，如图3所示，通过在电极之间并联电容，放电电流的延迟时间明显缩短并率先到达峰值电流，充分说明了辅助振荡对气体击穿的作用。
示例2
图4是在不同放电模式中电流延迟时间与电源输出端电压(即电压稳定时的靶电压)的关系图。图中包含普通HiPIMS，带有辅助电路振荡HiPIMS，其电容值分别为22.5nF、55nF、110nF以及220nF。放电条件：气体为0.5Pa的氩气，靶材Cr靶，脉冲宽度200μs，脉冲频率50Hz。
参见图4，示例2的方案将示例1的方案中的电容22.5nF更换为55nF，电流延迟时间与电压的关系如图4所示，其它步骤与示例1相同。
示例3
参见图4，示例3的方案将示例1的方案中的电容22.5nF更换为110nF，电流延迟时间与电压的关系如图4所示，其它步骤与示例1相同。
示例4
参见图4，示例3的方案将示例1的方案中的电容22.5nF更换为220nF，电流延迟时间与电压的关系如图4所示，其它步骤与示例1相同。
本发明在不需要更改HiPIMS电源及额外的配置的情况下，利用辅助电路振荡实现快速的HiPIMS气体击穿放电，增加了脉冲期间向等离子体中的输入能量。
以上对本发明的HiPIMS系统及减小HiPIMS放电电流延迟的方法的实施方式进行了说明，其目的在于解释本发明之精神。请注意，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神的情况下对上述各实施方式的特征进行修改和组合，因此，本发明并不限于上述各实施方式。

Claims (9)

1.一种HiPIMS系统，包括真空室和电源，所述真空室包括阴极靶，所述电源在电源正极输出端具有电感，在阴极靶与阳极之间并联一个电容，该电容与所述电感形成LC串联振荡电路，利用LC振荡产生的高电压，实现气体快速击穿；
其中，在高压快速击穿气体时，高电压维持的时间范围为0.01～300μs；在高电压不能快速击穿气体时，高电压维持的时间与电流延迟的时间相同。
2.根据权利要求1所述的HiPIMS系统，其中，所述电感是所述电源在电源输出端具有的内置电感。
3.根据权利要求1所述的HiPIMS系统，其中，所述LC串联振荡电路在振荡时电容两端峰值电压应超过电源输出端电压的1～10倍范围为宜。
4.根据权利要求1所述的HiPIMS系统，其中，所述电源采用IGBT开关进行脉冲斩波，在所述LC串联振荡电路的振荡电压不足以短时间击穿气体的情况下，与两电极并联的所述电容无法放电，实现高压保持功能，确保实现减小HiPIMS放电电流延迟。
5.根据权利要求1所述的HiPIMS系统，其中，在阴极靶与阳极之间并联有示波器电压探头，并且在阴极靶与阳极之间的电路中串联设置有电流传感器。
6.一种减少HiPIMS放电电流延迟的方法，包括如下步骤：
步骤一：当HiPIMS电源在电源输出端具有的内置电感时，测量HiPIMS电源输出端内置电感值，配置合适的电容，组成LC串联振荡电路；若HiPIMS电源在电源输出端未配置内置电感，则先在电源任意输出端和对应电极之间串联一个合适电感，再配置合适的电容C，组成LC串联振荡电路；
步骤二：完成对放电系统预先抽真空；
步骤三：将所述电容并联在阴极靶材和阳极之间，以将LC振荡产生的高电压信号施加在阴极靶上；当振荡高压负脉冲施加在两电极之间后，增强电极之间的电场，提高电子的能量，增强离化作用的同时，也使得更多的离子轰击靶材以产生二次电子，电子雪崩效应快速形成，辉光放电产生可测量的电流；脉冲放电后，等离子体阻抗较小，电路中电容的作用被严重削弱，无法再次振荡产生高电压信号，抑制了放电从辉光到弧光的转变；
步骤四：调试电容值，以实现最佳的LC振荡配置，实现快速气体击穿。
7.根据权利要求6所述的减少HiPIMS放电电流延迟的方法，其中，所述LC串联振荡电路在振荡时电容两端峰值电压应超过电源输出端电压的1～10倍范围为宜。
8.根据权利要求6所述的减少HiPIMS放电电流延迟的方法，其中，步骤三中，当所述电源是采用IGBT开关进行脉冲斩波时，在所述LC串联振荡电路的振荡电压不足以短时间击穿气体的情况下，与两电极并联的所述电容无法放电，实现高压保持功能，确保实现减小HiPIMS放电电流延迟；若所述电源未采用IGBT进行斩波，所述LC串联振荡电路也具备高振荡电压快速放电的功能。
9.根据权利要求6所述的减少HiPIMS放电电流延迟的方法，其中，步骤三中，在高压快速击穿气体时，高电压维持的时间范围为0.01～300μs；在高电压不能快速击穿气体时，高电压维持的时间与电流延迟的时间相同。
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