TWI564415B - 用於提供序列功率脈衝之方法 - Google Patents

Description

用於提供序列功率脈衝之方法

本發明涉及一種用於產生功率脈衝之方法。

此種功率脈衝例如在HIPIMS-技術之範圍中是需要者。HIPIMS是指高功率脈衝磁控管濺鍍(Magnetron Sputtering)。於此，真空塗層法是指，藉由很高的放電用電流而由陰極來對材料進行濺鍍，這樣可確保：已濺鍍的材料高等級地被正離子化。若同時在待塗層的基板上施加負電壓，則結果是使藉由濺鍍而生成的正離子朝向基板的方向加速，且因此形成一種密集層。此處，使用例如40仟瓦(kW)及更多的功率。當然，只有在短的功率脈衝之範圍中才可能由陰極來濺鍍材料，此乃因在較長的功率作用下會由於過熱而使材料受損。以高功率由陰極來進行濺鍍的期間因此須受到限制，這樣會造成一種最大可容許的脈衝持續時間。

一種待實現的方法在於’將整個陰極劃分成多個部份陰極且將功率依序地施加在該些部份陰極上。此概念是指，多個互相隔開的陰極(此處稱為部份陰極)設置在一塗層設備中，使其可局部受限地造成高的放電用電流。此種方法的可能實現方式已描述在德國專利申請案DE 102011018363中。

在功率脈衝作用在部份陰極的期間，由所述陰極以高的放電用電流密度來進行濺鍍。同時，在功率脈衝重新作用在其它的部份陰極之前，所述部份陰極可被冷卻。

本發明人經發現：脈衝持續時間本身對藉由磁控管濺鍍所造成的層之層性質將有高的影響。因此，需要一種供電器，其不僅可發出短的而且持續相對長的高功率脈衝。

供電器通常可靠地在定值的電流時提供定值的電壓。英文中供電器稱為”power supply”，其在翻譯上亦經常是指”功率供應器”。如上所述，當其用來產生高功率之功率脈衝時，上述的情況有高的要求。在一種發出例如40仟瓦之功率的功率供應器起動時，以商用之電壓源直至發出整個功率時所消耗的時間數量級大約是700微秒。就像目前情況一樣，若需要較短脈衝寬度的功率脈衝，則可使用的時間在整個功率擴充之前已流逝。此種脈衝之功率外型(profile)係不可控制而為動態者且施加在其上的濺鍍法將造成各種再生性劣化且特性次佳化(sub-optimal)的層。

利用本發明的方法，能以簡易的方式達到具有特定外型之功率脈衝，此功率脈衝之持續時間能以簡易方式在寬的區間/間隔上縮放(scalable)。

依據本發明，上述目的藉由下述方式達成，即：與第一部份陰極對應之功率脈衝間隔構成為在時間上與第二部份陰極對應之功率脈衝間隔輕微地重疊，使得在功率由第一部份陰極轉移至第二部份陰極時提供該功率之供電器不必關閉而是由該供電器不中斷地取出功率，且因此不必重新建立功率。在二個功率脈衝間隔發生重疊 的期間中，電漿只在第一部份陰極處點燃，此乃因與仍未點燃之第二部份陰極之阻抗相較，第一部份陰極的阻抗相對而言低很多。只有在第一功率脈衝間隔末端，第一部份陰極由供電器分離時，電漿才在第二部份陰極處點燃，但該點燃仍然很快速，而導致功率連續地由該供電器提取。若存在第三部份陰極，則其是用來使配屬於該第三部份陰極之功率脈衝間隔與配屬於該第二部份陰極之功率脈衝間隔重疊(較佳是很短)，使得在功率又由第二部份陰極轉移至第三部份陰極時不會造成功率取出之中斷。目前，「很短的重疊」是指此種重疊係在x*0.01ms之範圍中，其中0.5<x<10。一般而言，這是用於使配屬於第n個部份陰極之功率脈衝間隔可與配屬於第(n-1)個部份陰極之功率脈衝間隔重疊(較佳是輕微地重疊)，這樣在功率由第(n-1)個部份陰極轉移至第n個部份陰極時可不中斷地由供電器取出功率。只有當功率轉移至最後之部份陰極且配屬於此最後之部份陰極的功率脈衝發出時，即，當功率脈衝週期(以下亦稱為群組)完全結束時，由該供電器取出功率才中斷。隨後的功率中止期間中，在將配屬於第一部份陰極之功率脈衝重新施加至第一部份陰極之前該功率中止期間係用來使所述部份陰極冷卻。

然而這樣的過程方式導致，至少輸出至第一部份陰極之功率脈衝在供電器之功率建立的時間範圍中且對應的功率脈衝具有不期望(不良)的型態/分布(profile)。因此，依據本發明之較佳實施形式，將功率施加至第一 部份陰極之前，在至少大約功率建立間隔中，將功率施加給所謂的虛擬(dummy)陰極。該虛擬陰極基本上是一種功率消耗器且不是一種此處所使用的陰極。該虛擬陰極用來使配屬於第一部份陰極之功率脈衝間隔輕微地與上述功率建立間隔重疊，這樣可在該虛擬陰極轉移至第一部份陰極時使該供電器的功率取出不中斷且在功率脈衝間隔的範圍中可使用全部的功率。上述的虛擬陰極例如能以一種具有歐姆電阻的電路來實現，電壓在該歐姆電阻上形成壓降且因此將功率轉換成熱。

如上所述，該功率建立間隔完全在700微秒的數量級中。此期間由供電器發送至該虛擬陰極之功率對塗層過程是無益的，因此會遺失而成為一種損耗。這種情況在功率脈衝週期(即，群組期間)大於功率施加期間且功率損耗因此只佔小的百分比時是無問題的。當功率脈衝間隔較短，使功率建立間隔在與群組期間比較下一定有相關時，則上述情況當然有問題。在此種情況下，會造成不可接受的很大的功率損耗。

這能以本發明之另一較佳的實施形式來避免。本發明人已認知：準確地在短的功率脈衝間隔時，所述部份陰極完全不需冷卻。在此情況下，第二功率脈衝週期緊接於第一功率脈衝週期。因此，第二功率脈衝週期(即，第二群組)之第一功率脈衝間隔輕微地與第一群組之第一功率脈衝週期之最後的功率脈衝間隔重疊，使功率由最後的部份陰極轉移至第一部份陰極時由該供電器之功率取出不被中斷。以此方式，對第二群組而言，功率建 立間隔及隨著功率發送至虛擬陰極而造成的功率損耗都可避免。因此，以適當的方式可依序地排列數個群組，直至由於在部份陰極中產生之熱發散而必須或應該使功率之供應實際地中斷為止。在此種群組序列中，只需一次起動此序列，即可在功率施加期間將功率傳送至虛擬陰極。

本發明以下將例如依據濺鍍技術詳細地以圖式來說明。在本文於後所述的範例中將使用下列縮寫詞：

為了防止陰極過熱，例如採用：在一功率序列內功率施加至一個部份陰極時的總時間須小於100毫秒：(tpn-tdn)*N<100ms=Tmax

第1範例

在第一範例之範圍中，對該虛擬陰極施加功率達0.5ms，即，損耗期間tp0是0.5ms且因此一定包括大約0.25ms之功率建立間隔。除了該虛擬陰極以外，亦使用6個部份陰極。在一群組中功率施加至部份陰極時的功率脈衝間隔確定為tp1-6=0.2ms且功率脈衝間隔的重疊確定為td1-6=0.02ms。總共運行10個功率脈衝週期，即，10個群組與損耗期間共同形成一種序列。因此，總序列期間持續10*6*(0.2ms-0.02ms)+0.5ms=10.8ms+0.5ms=11.3ms。

於是，相對於10.8ms之發出功率的時間以用於塗層的目的而言，損耗期間為0.5ms。在與該虛擬陰極上的功率損耗比較下，設定於塗層目的之功率大於20倍。

現在，在功率脈衝間隔若40仟瓦施加在一個部份陰極上且每一個部份陰極上所預設的平均濺鍍功率(Pavg)為5仟瓦，則總序列期間應以69.4赫(Hz)之頻率重複著，此乃因：(tpn-tdn)*N*Pmax*fr=0.18ms*10*40kW*69.4Hz=5kW

相對於此，在該虛擬陰極上的平均功率損耗最多為0.5ms*40kW*69.4Hz=1.39kW。69.4赫(Hz)之重複頻率對應於14.4ms之重複期間。在總序列期間之持續時間為11.3ms時，這表示：在各序列之間應插入3.1ms之中止期間。

第2範例

在第2範例的範圍中，功率脈衝間隔下降至0.07ms且群組的數目提高至100。其它參數保持不變。因此，總序列期間持續100*6*(0.07ms-0.02ms)+0.5ms=30ms+0.5ms=30.5ms。

於是，相對於30ms之發出功率的時間以用於塗層 的目的而言，損耗期間為0.5ms。在與該虛擬陰極上的功率損耗比較下，使用於塗層目的之功率大於60倍。

現在，在功率脈衝間隔若40仟瓦施加在一個部份陰極上且每一個部份陰極上所預設的平均濺鍍功率(Pavg)為5仟瓦，則總序列期間應以25赫(Hz)之頻率重複著，此乃因：(tpn-tdn)*N*Pmax*fr=0.05ms*100*40kW*25Hz=5kW

相對於此，在該虛擬陰極上的平均功率損耗最多為0.5ms*40kW*25Hz=0.5kW。25赫(Hz)之重複頻率對應於40ms之重複期間。在總序列期間之持續時間為30.5ms時，這表示：在各序列之間應插入9.5ms之中止期間。

第3範例

在第3範例的範圍中，功率脈衝間隔下降至0.05ms且群組的數目提高至1000。其它參數保持不變。因此，總序列期間持續1000*6*(0.05ms-0.02ms)+0.5ms=180ms+0.5ms=180.5ms。

於是，相對於180ms之發出功率的時間以用於塗層的目的而言，損耗期間為0.5ms。在與該虛擬陰極上的功率損耗比較下，使用於塗層目的之功率大於360倍。

現在，在功率脈衝間隔若60仟瓦施加在一個部份陰極上且每一個部份陰極上所預設的平均濺鍍功率(Pavg)大約為5仟瓦，則總序列期間應以2.7赫(Hz)之頻率重複著，此乃因：(tpn-tdn)*N*Pmax*fr=0.03ms*1000*60kW*2.7Hz=4.86kW

相對於此，在該虛擬陰極上的平均功率損耗最多為0.5ms*60kW*2.7Hz=81kW。2.7赫(Hz)之重複頻率對應於 360ms之重複期間。在總序列期間之持續時間為180.5ms時，這表示：在各序列之間應插入179.5ms之中止期間。

第4範例

在第4範例的範圍中，功率脈衝間隔保持為0.05ms且群組的數目保持為1000。其它參數亦保持不變。因此，總序列期間持續1000*6*(0.05ms-0.02ms)+0.5ms=180ms+0.5ms=180.5ms。

於是，相對於180ms之發出功率的時間以用於塗層的目的而言，損耗期間為0.5ms。在與該虛擬陰極上的功率損耗比較下，使用於塗層目的之功率大於360倍。

現在，在功率脈衝間隔不是像範例3一樣施加60仟瓦而若是只施加33仟瓦至一個部份陰極上且每一個部份陰極上所預設的平均濺鍍功率(Pavg)大約為5仟瓦，則總序列期間應以5.05赫(Hz)之頻率重複著，此乃因：(tpn-tdn)*N *Pmax*fr=0.03ms*1000*33kW*5.05Hz=5kW

相對於此，在該虛擬陰極上的平均功率損耗最多為0.5ms*33kW*5.05Hz=83kW。5.05赫(Hz)之重複頻率對應於198ms之重複期間。在總序列期間之持續時間為180.5ms時，這表示：在各序列之間應插入17.5ms之中止期間。

就像如上所述的範例所示，本發明的方法允許在幾乎消失的微小損耗功率中簡易地對脈衝間隔、脈衝重複頻率及脈衝外型的準確定義進行調整(scaling)。上述這些特性的值可組合在”可調整的脈衝特性”的提示語下，這些特性的值在濺鍍時且特別是在HIPIMS-技術中對所產生的層之特性有直接的影響。雖然本發明的描述 只在濺鍍技術之範圍中提供功率脈衝，但可有利地使用於：在脈衝之範圍中須施加較高的功率於負載時的情況。

圖1顯示對應於上述範例之情況，在各個部份陰極(1-6)上顯示成整個序列及劃分成損耗期間(0)及功率脈衝間隔。因此，水平軸表示時間軸且垂直軸對應於由供電器發出功率。當然，圖中只顯示3個群組。

如上所述，一種虛擬陰極的導入是可能的，使每個部份陰極都可被施加一種準確定義的功率脈衝外型，此乃因該虛擬陰極可處理該功率建立間隔所發出之功率。然而，就像本發明人已發現者一樣，在濺鍍期間若該虛擬陰極造成所謂火花，則該虛擬陰極亦很有用。即，若藉由偵測裝置而確認此種火花(亦稱為閃光)，則通常須將該供電器關閉，這表示：在一序列中不再存在一種由該供電器所發出之不中斷的功率。與此相對，藉助於該虛擬陰極，則可將功率轉移至該陰極且該供電器可不受干擾而不中斷地發出功率。

仍須注意，本發明之提供序列功率脈衝的方法允許使用單純的供電器。因此，該供電器例如可以是功率供應單元，其構造成主-從單元。所謂主-從構造是指，二個或更多個供電器之輸出端之並聯連接，其中在一供電器(主)上選取待設定的功率，且其它的供電器在電性上相連接，使其設定跟隨著該主供電器。特別是例如當應由HIPIMS-濺鍍轉換成傳統的濺鍍時，此種主-從構造亦特別是有利的。該主-從構造可被分解且各個部份陰極可分別對應於主構造或從構造。

該些部份陰極較佳是在靶(target)之後分別包含可移動的磁鐵系統，其用來使各別的跡線(racetrack)在各別的部份靶上遊動。若在HIPIMS-模式中使設備起動，則本發明中較佳是在部份靶之後旋轉的磁鐵系統以一種頻率移動，該頻率較佳是與濺鍍源之重複發生的功率脈衝之頻率未形成合理的比例。於是，可確保均勻地由靶表面將材料剝離。

已描述一種提供功率脈衝的方法，其具有可調整的功率脈衝間隔以驅動一種PVD-濺鍍陰極，該PVD-濺鍍陰極包括第一部份陰極和第二部份陰極，其中對該些部份陰極預設一最大的平均功率施加值且預設該功率脈衝間隔的持續時間。本方法包括以下各步驟：a)提供一供電器，其較佳是至少在起動之後且在功率建立間隔結束之後發出預設之固定功率，b)起動該供電器，c)將第一部份陰極連接至該供電器，使該供電器將功率施加至該第一部份陰極，d)在與該第一部份陰極對應的預設之第一功率脈衝間隔結束之後，使該供電器由該第一部份陰極分離，e)將第二部份陰極連接至該供電器，使該供電器將功率施加至該第二部份陰極，f)在與該第二部份陰極對應的預設之第二功率脈衝間隔結束之後，使該供電器由該第二部份陰極分離。

該第一功率脈衝間隔在時間上係在第二功率脈衝間隔之前開始且第一功率脈衝間隔在時間上係在第二功率脈衝間隔之前結束。須進行步驟d)和e)，使第一功率脈衝間隔和第二功率脈衝間隔在時間上重疊且全部的功率脈衝間隔一起形成第一群組，使該供電器由第一功率脈衝間隔開始直至第二功率脈衝間隔結束為止都連續而不中斷地發出功率，且不需第二功率建立間隔。

第一功率脈衝間隔和第二功率脈衝間隔之時間上的重疊率較佳是不大於功率脈衝間隔之x%，或是，若第一功率脈衝間隔與第二功率脈衝間隔之期間長度不同，則它們的差值不大於較短的功率脈衝間隔的x%，其中x小於等於20，較佳是x小於等於10。

PVD-濺鍍用陰極可包括至少另一個部份陰極，較佳是包括多個其它的部份陰極，其中對應於步驟e)和f)之該些其它部份陰極連接至該供電器且與該供電器隔開，其中分別配屬於成一列的其它部份陰極的功率脈衝間隔在時間上與先前直接成一列之部份陰極對應的功率脈衝間隔重疊，且第一、第二功率脈衝間隔和另一個或其它多個功率脈衝間隔一起形成時間上不中斷的第一群組，使得該供電器在由第一群組所形成的群組期間連續而不中斷地發出功率，且不會造成第二功率建立間隔。

第二群組跟隨著第一群組，第二群組中就像第一群組一樣，在重疊之功率脈衝間隔將功率脈衝施加至第一、第二部份陰極和可能存在之其它部份陰極，其中第二群組可跟隨第一群組，使第二群組之第一功率脈衝間 隔與第一群組之最後的功率脈衝間隔重疊，則由第一群組之第一功率脈衝間隔開始直至第二群組之最後的功率脈衝間隔結束為止該供電器將連續而不中斷地發出功率，且不會造成第二功率建立間隔。

對應於第一群組和第二群組所表示的條件，N個群組可互相跟隨著，其中N是大於1的整數。

群組之數目N較佳是應為最大值，但只須選取此N值使對每一個部份陰極而言n適合於：使相對應的功率脈衝間隔tpn分別在全部之群組1至N中扣除重疊期間tdn後所得之和不超過最大時間100ms。

在損耗期間，由供電器所發出之功率可發出至例如不是用於塗層之負載上，其中該損耗期間至少包括功率建立間隔且該損耗期間係與第一群組之第一功率脈衝間隔重疊，該損耗期間與該些群組一起形成一種不中斷的序列。

上述方法可重複多次且分別在最後群組的最後之功率脈衝間隔之後該供電器可於一中止期間關閉，可選擇該中止期間的長度，使發出至部份陰極之以時間來平均的功率在考慮該中止期間下對應於一預設值。

以上述方法，可進行一種HIPIMS-方法，其中該供電器之預設功率至少為20仟瓦，較佳是至少為40仟瓦且特別佳為60仟瓦。

在HIPIMS-方法中，較佳是對各參數進行選擇，使發出至各個部份陰極之以時間來平均的功率小於10仟瓦且較佳是5仟瓦，其中在時間上局部地存在於該些部 份陰極上的放電電流密度較佳是大於0.2A/cm²。

揭示一種提供功率脈衝的方法，以可調整的功率脈衝間隔來驅動PVD-濺鍍陰極，其中該PVD-濺鍍陰極包括一功率消耗構件和第一部份陰極，對該部份陰極預設一最大的平均功率施加值，且預設該功率脈衝間隔之持續時間。本方法包括以下各步驟：a)提供一供電器，其較佳是至少在起動之後且在功率建立間隔結束之後發出預設之固定功率，b)起動該供電器，c)將該功率消耗構件連接至該供電器，使該供電器在功率建立間隔將功率施加至該功率消耗構件，d)在該功率建立間隔結束之後，使該供電器由該功率消耗構件分離，e)將第一部份陰極連接至該供電器，使該供電器將功率施加至該第一部份陰極，f)在與該第一部份陰極對應的預設之第一功率脈衝間隔結束之後，使該供電器由該第一部份陰極分離。

本方法之特徵為：須進行步驟d)和e)，以便在第一部份陰極連接至該供電器時不會造成第二功率建立間隔，這較佳是以功率建立間隔和第一功率脈衝間隔在時間上相重疊且該供電器之功率發出須不被中斷來達成。

在上述說明中，通常使用此字詞”虛擬陰極”，這未必是指一種真正的陰極而是與功率消耗構件相同的物件。該功率消耗構件之特徵為其不是用作待塗層之基板 或待加工之基板的材料提供者。

在上述說明中，此字詞”部份陰極”是指：多個電性絕緣的陰極形成陰極系統且這些陰極是系統的一部份，因此稱為部份陰極。

本方法可包括以下步驟：g)將第二部份陰極連接至該供電器，使該供電器將功率施加至第二部份陰極，h)在與該第二部份陰極對應的預設之第一功率脈衝間隔結束之後，使該供電器由該第二部份陰極分離。

須進行步驟f)和g)，使由功率建立間隔開始直至第二脈衝間隔結束為止該供電器可連續且不中斷地發出功率以及不會造成第二功率建立間隔，這較佳是以「第一功率脈衝間隔和第二功率脈衝間隔在時間上相重疊」來達成，其中第一功率脈衝間隔在時間上在第二功率脈衝間隔之前開始，且第一功率脈衝間隔在時間上在第二功率脈衝間隔之前結束。

n個其它的部份陰極可對應於該序列之步驟f)、g)和h)而依序地連接至該供電器且可被該供電器關閉，其中第n-1個功率脈衝間隔較佳是與第n個功率脈衝間隔在時間上相重疊。

可設置一種偵測火花用的元件且在偵測火花時該功率消耗構件連接至該供電器，實際上已相連接的部份陰極由該供電器分離，使該供電器的功率發出不中斷。

本說明書中所謂火花在意義上大部份是指電突發處，其使電壓及/或電流的上升突然瓦解。

tpn‧‧‧脈衝長度

tdn‧‧‧脈衝延遲

N‧‧‧群組的數目(N=O…500)

n‧‧‧通道數目(=部份陰極數目，n=0...6,n=0對應於虛擬陰極)

fr‧‧‧重複頻率

tr‧‧‧重複期間=1/fr

S1~S6‧‧‧開關

g1~g6‧‧‧供電器

q1~q6‧‧‧部份陰極n

圖1是上述群組之圖解。

圖2顯示一包括供電器g1至g6之功率供應單元3之實施形式的構造，各供電器構成主-從單元且經由開關S1至S6而與多個部份陰極q1至q6相連接。

圖3顯示圖2之構造，其中該主-從單元已分解，使每一個部份陰極都可直接由供電器來供電。

1、2、3‧‧‧群組

Claims (4)

1. 一種提供具有可縮放功率脈衝間隔的功率脈衝以驅動一PVD濺鍍陰極的方法，該PVD濺鍍陰極包括一功率消耗構件和第一陰極，其中對該第一陰極預設一最大的平均功率施加值，且預設該功率脈衝間隔的持續時間，本方法包括以下步驟：a)提供一供電器，其至少在起動之後且在功率建立間隔結束之後發出預設之固定功率，b)起動該供電器，c)將該功率消耗構件連接至該供電器，使該供電器在該功率建立間隔將功率施加至該功率消耗構件，d)在該功率建立間隔結束之後，使該供電器由該功率消耗構件分離，e)將該第一陰極連接至該供電器，使該供電器將功率施加至該第一陰極，f)在與該第一陰極對應的預設之第一功率脈衝間隔結束之後’使該供電器由該第一陰極分離，該方法之特徵為：步驟d)和e)的實施方式是，使得當該第一陰極連接至該供電器時，沒有出現第二功率建立間隔，其中藉由如下方式實現：該功率建立間隔和該第一功率脈衝間隔在時間上相重疊，且該供電器之功率輸出不需中斷。
2. 如申請專利範圍第1項之提供具有可縮放功率脈衝間隔的功率脈衝的方法，其中該第一陰極是部份陰極，且該方法另包括以下步驟： g)將第二部份陰極連接至該供電器，使該供電器將功率施加至第二部份陰極，h)在與該第二部份陰極對應的預設之第一功率脈衝間隔結束之後，使該供電器由該第二部份陰極分離，步驟f)和g)的實施方式是，使得由該功率建立間隔開始直至第二功率脈衝間隔結束為止，該供電器是連續且不中斷地發出功率，且沒有出現第二功率建立間隔，這是以第一功率脈衝間隔和第二功率脈衝間隔在時間上相重疊來達成，其中該第一功率脈衝間隔在時間上在該第二功率脈衝間隔之前開始，且該第一功率脈衝間隔在時間上在該第二功率脈衝間隔之前結束。
3. 如申請專利範圍第2項之提供具有可縮放功率脈衝間隔的功率脈衝的方法，其中n個其它的部份陰極係對應於一序列之步驟f)、g)和h)而依序地連接至該供電器且可被該供電器關閉，其中第n-1個功率脈衝間隔是與第n個功率脈衝間隔在時間上相重疊。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之提供具有可縮放功率脈衝間隔的功率脈衝的方法，其中設置一種偵測火花用的元件且在偵測火花時該功率消耗構件連接至該供電器，實際上已相連接的部份陰極由該供電器分離，使該供電器的功率發出不中斷。