TWI586825B - 提供連續功率脈衝之方法 - Google Patents

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Description

提供連續功率脈衝之方法
本發明涉及一種產生功率脈衝的方法。
例如HIPIMS技術需要用到這種功率脈衝。HIPIMS是高功率脈衝磁控管濺鍍的縮寫。這是一種真空鍍膜方法，也就是利用很高的放電電流將陰極材料濺鍍，以確保被濺鍍的材料具有很高的正電離度。如果同時將一個負電壓接通至要鍍膜的基板，則濺鍍形成的正離子就會朝基板的方向加速，因而形成一層密實的鍍膜。這個過程使用的功率可以是40KW或更高。無論如何，這只能夠在一個很短的功能脈衝的範圍內將陰極材料濺鍍，因為陰極若受到較長時間的功率作用，可能會因為過熱而受損。因此必須限制陰極承受高功率濺鍍的時間，也就是不能超過容許的最大脈衝持續時間。
一種達到上述要求的方案是將整個陰極分割成多個子陰極，並按順序將功率依次饋入這些子陰極。這個方案的構想是將多個彼此電絕緣的陰極(此處指的是子陰極)設置在鍍膜設備中，這樣就可以將很高的放電電流限制在局部範圍。德國專利DE 102011018363揭示一種實現這個方案的可能作法。
當一個子陰極受到功率脈衝的作用，這個子陰極會受到很高的放電電流密度的濺鍍。與此同時，其他的電極可以在再度承受功率脈衝作用之前先冷卻。
但是發明人證實，脈衝持續時間對於磁控管濺鍍形 成之鍍膜的特性有很大的影響。因此需要能夠產生時間很短的高功率脈衝及長時間的高功率脈衝的脈衝發生器。
在電流固定不變的情況下，脈衝發生器通常能夠可靠的提供固定不變的電壓。這在英文中稱為“power supply”，也就是電源的意思。要產生如前面所述的高功率的短暫功率脈衝是一種不容易滿足的情況。在以市面常見的電壓源接通電源時，例如接通應輸出40KW之功率的電源，從接通到達到滿載功率的時間間隔約700μs。如果需要的是脈衝持續時間很短的功率脈衝，則在達到滿載功率之前，可供使用的時間就已經結束。這種脈衝的功率輪廓相當於未經控制的動態輪廓，同時以其為基礎的濺鍍方法僅能產生可複製性差且特性不良的鍍膜。
本發明之方法係要能夠以簡單的方式提供具有特定輪廓的功率脈衝，其中功率脈衝的持續時間要能夠以簡單的方式在很大的時間間隔被標度出來。
為達到上述目的，本發明提出的方法是使配屬於第一個子陰極的功率脈衝時間間隔與配屬於第二個子陰極的功率脈衝時間間隔略微重疊，使得在將功率從第一個子陰極轉接到第二個子陰極時，提供功率的脈衝發生器並不需要被切斷，而是可以繼續輸出功率，因此不需要脈衝發生器從零開始重新達到滿載功率。在兩個功率脈衝時間間隔的重疊期間，由於第一個子陰極的阻抗遠小於尚未被點燃的第二個子陰極的阻抗，因此電漿只會在 第一個子陰極燃燒。直到第一個功率脈衝時間間隔結束，第一個子陰極與脈衝發生器分開時，第二個子陰極的電漿才會被點燃，而且點燃的速度非常快，因此脈衝發生器的功率輸出基本上是連續的。如果有第三個子陰極，則配屬於第三個子陰極的功率脈衝時間間隔與配屬於第二個子陰極的功率脈衝時間間隔(最好是)略微重疊，這樣在將功率從第二個子陰極轉接到第三個子陰極時，脈衝發生器也不需要中斷其功率輸出。此處所謂的時間上的略微重疊是指重疊的時間在x＊0.01ms的範圍，其中0.5<x<10。也就是說，配屬於第n個子陰極的功率脈衝時間間隔與配屬於第(n-1)個子陰極的功率脈衝時間間隔(最好是)略微重疊，這樣在將功率從第(n-1)個子陰極轉接到第n個子陰極時，脈衝發生器就不需要中斷其功率輸出。直到功率被轉接到最後一個子陰極，同時配屬於最後一個子陰極的功率完全輸出後，也就是說直到一個功率脈衝循環(以下也稱為“群組”)結束後，脈衝發生器的功率輸出才會中斷。在重新將功率脈衝饋入第一個子陰極之前，可以利用這個功率中斷期間使子陰極冷卻。
但是這樣的操作過程至少會使饋入第一個子陰極的功率脈衝位於脈衝發生器達到滿載功率的時間間隔內，因而使相應的功率脈衝具有不良的輪廓。因此本發明的一種有利的實施方式是在將功率饋入第一個子陰極的過程中，將至少是近似於達到滿載功率期間的功率饋入一個所謂的虛擬陰極。基本上這個虛擬陰極是一個功率吸 收器，而不是作為真正的陰極。這樣就可以使配屬於第一個子陰極的功率脈衝時間間隔與達到滿載功率的時間間隔略微重疊，因此在將功率從虛擬陰極轉接到第一個子陰極時，脈衝發生器無需中斷其功率輸出，也就是說在第一個功率脈衝時間間隔期間就能夠提供滿載的功率。例如可以利用一個帶有歐姆電阻的電路實現前面提及的虛擬陰極，在這種情況下，電壓在通過歐姆電阻時會降低，並將功率轉換成熱。
如前面所述，達到滿載功率的時間間隔約700μs。在這期間從脈衝發生器輸送到虛擬陰極的功率並不利於鍍膜過程，因此不會被利用，也就是會造成功率的損失。這並不是大問題，只要功率脈衝循環(也就是群組時間間隔)大於達到滿載功率的時間間隔即可，因為在這種情況下，損失的功率僅佔很低的比例。但如果功率脈衝時間間隔短到使達到滿載功率的時間間隔佔群組時間間隔相當大的比例時，這個功率損失就會是一個問題。在這種情況下會出現明顯且無法接受的功率損失。
本發明的另外一種有利的實施方式可以避免這種情況的發生。發明人發現，如果功率脈衝時間間隔很短的話，子陰極是不需要冷卻的。在這種情況下，第二個功率脈衝循環就直接連接在第一個功率脈衝循環之後。也就是使第二個功率脈衝循環(也就是第二個群組)的第一個功率脈衝時間間隔與第一個功率脈衝循環的最後一個功率脈衝時間間隔略微重疊，這樣在將功率從最後一個子陰極轉接到第一個子陰極時，脈衝發生器不需要中斷 其功率輸出。透過這種方式，第二個群組就不需要達到滿載功率的時間間隔，因此也不會有將功率饋入虛擬陰極造成的功率損失。可以用相同的方式將多個群組連接在一起，直到子陰極的溫度升高到必須或應該中斷功率輸入為止。在這樣的群組串中，只需在群組串的開頭，在第一次達到滿載功率的時間間隔期間將功率饋入虛擬陰極即可。
以下將配合圖式及濺鍍技術對本發明的內容做進一步的說明。
在以下的說明的例子中將使用下列的縮寫：Pavg：平均濺鍍功率Pmax：最大濺鍍功率(脈衝功率)tpn：脈衝寬度tdn：脈衝延遲N：群組的數量(N=0...500)n：通道編號(=子陰極的數量，n=0...6，n=0代表虛擬陰極)fr：重複頻率tr：重複持續時間=1/fr
為了避免陰極過熱，可以假設在一個功率輸出列中，對一個子陰極輸送功率的總時間必須小於100ms：(tpn-tdn)＊N<100ms=Tmax
第1個例子
在第1個例子中，功率饋入虛擬陰極的時間為0.5ms，也就是說，損失時間間隔tp0為0.5ms，因此一定也將 達到滿載功率的時間間隔(約0.25ms)的包含在內。除了虛擬陰極外，還有6個子陰極。在一個群組內將功率饋入一個子陰極期間的功率脈衝時間間隔為tp1-6=0.2ms，同時功率脈衝時間間隔的重疊為td1-6=0.02ms。總共進行10個功率脈衝循環，也就是說由10個群組及損失時間間隔共同構成一個組合。在這種情況下，總時間間隔=10＊6＊(0.2ms-0.02ms)+0.5ms=10.8ms+0.5ms=11.3ms。
也就是說，為進行鍍膜而輸出功率的時間=10.8ms，而損失時間間隔=0.5ms。經比較後發現，用於鍍膜的功率是損失在虛擬陰極上的功率的20倍以上。
如果在功率脈衝時間間隔期間，一個子陰極上的功率為40KW，同時規定在每一個子陰極上的平均濺鍍功率為5KW，則總時間間隔應以69.4Hz的頻率重複，因為：(tpn-tdn)＊N＊Pmax＊fr=0.18ms＊10＊40KW＊69.4Hz=5KW
發生在虛擬陰極上的平均功率損失最多=0.5ms＊40KW＊69.4Hz=1.39KW。69.4Hz的重複頻率相當於重複持續時間=14.4ms。總時間間隔=11.3ms代表在兩個群組串之間應安排3.1ms的中斷時間。
第2個例子
在第2個例子中，功率脈衝時間間隔縮短為0.07ms，群組的數量提高為100個。其他的參數保持不變。因此總時間間隔=100＊6＊(0.07ms-0.02ms)+0.5ms=30ms+0.5ms=30.5ms。
也就是說，為進行鍍膜而輸出功率的時間=30ms，而 損失時間間隔=0.5ms。經比較後發現，用於鍍膜的功率是損失在虛擬陰極上的功率的60倍以上。
如果在功率脈衝時間間隔期間，一個子陰極上的功率為40KW，同時規定在每一個子陰極上的平均濺鍍功率為5KW，則總時間間隔應以25Hz的頻率重複，因為：(tpn-tdn)＊N＊Pmax＊fr=0.05ms＊100＊40KW＊25Hz=5KW
發生在虛擬陰極上的平均功率損失最多=0.5ms＊40KW＊25Hz=0.5KW。25Hz的重複頻率相當於重複持續時間=40ms。總時間間隔=30.5ms代表在兩個群組串之間應安排9.5ms的中斷時間。
第3個例子
在第3個例子中，功率脈衝時間間隔縮短為0.05ms，群組的數量提高為1000個。其他的參數保持不變。因此總時間間隔=1000＊6＊(0.05ms-0.02ms)+0.5ms=180ms+0.5ms=180.5ms。
也就是說，為進行鍍膜而輸出功率的時間=180ms，而損失時間間隔=0.5ms。經比較後發現，用於鍍膜的功率是損失在虛擬陰極上的功率的360倍以上。
如果在功率脈衝時間間隔期間，一個子陰極上的功率為60KW，同時規定在每一個子陰極上的平均濺鍍功率約為5KW，則總時間間隔應以2.7Hz的頻率重複，因為：(tpn-tdn)＊N＊Pmax＊fr=0.03ms＊1000＊60KW＊2.7Hz=4.86KW
發生在虛擬陰極上的平均功率損失最多=0.5ms＊60KW＊2.7Hz=81W。2.7Hz的重複頻率相當於重 複持續時間=360ms。總時間間隔=180.5ms代表在兩個群組串之間應安排179.5ms的中斷時間。
第4個例子
在第4個例子中，功率脈衝時間間隔縮短為0.05ms，群組的數量提高為1000個。其他的參數保持不變。因此總時間間隔=1000＊6＊(0.05ms-0.02ms)+0.5ms=180ms+0.5ms=180.5ms。
也就是說，為進行鍍膜而輸出功率的時間=180ms，而損失時間間隔=0.5ms。經比較後發現，用於鍍膜的功率是損失在虛擬陰極上的功率的360倍以上。
如果在功率脈衝時間間隔期間，一個子陰極上的功率不同於第3個例子的60KW，而是33KW，同時規定在每一個子陰極上的平均濺鍍功率約為5KW，則總時間間隔應以5.05Hz的頻率重複，因為：(tpn-tdn)＊N＊Pmax＊fr=0.03ms＊1000＊33KW＊5.05Hz=5KW
發生在虛擬陰極上的平均功率損失最多=0.5ms＊33KW＊5.05Hz=83W。5.05Hz的重複頻率相當於重複持續時間=198ms。總時間間隔=180.5ms代表在兩個群組串之間應安排17.5ms的中斷時間。
從以上的例子可以看出，本發明的方法能夠很簡單的標度脈衝持續時間、脈衝寬度、脈衝重複頻率、以及精確的定義脈衝輪廓，並使損失功率小到幾乎完全消失。在濺鍍(尤其是HIPIMS技術)過程中，脈衝特性的這些所有可標度的量都會對所形成之鍍膜的特性造成直接影響。雖然以上的說明是將本發明應用於提供濺鍍技術 所需的功率脈衝，但原則上本發明可應用於所有必須提供很高之功率脈衝的應用領域。
第1圖顯示以上例子的情況，包括統一的群組列及拆開成損失時間間隔(0)及在子陰極(1~6)上的功率脈衝時間間隔的情況。第1圖中的水平軸代表時間軸，垂直軸代表脈衝發生器輸出的功率。在第1圖中僅示3個群組。
如前面所述，由於使用虛擬陰極的緣故，因此可以精確的將特定具有特定脈衝輪廓的功率饋入每一個子陰極，這是因為虛擬陰極能夠處理在達到滿載功率的時間間隔期間輸出的功率。如發明人的發現，如果在濺鍍期間出現所謂的飛弧，這個虛擬陰極也可以發揮很大的作用。當偵測裝置偵測到有飛弧(也稱為閃光)出現，脈衝發生器通常會被切斷，這表示脈衝發生器在一個群組串內不再能能夠連續輸出功率。與此相對的，如果有使用虛擬陰極，就可以將這個功率轉接到虛擬陰極，這樣脈衝發生器就可以不受阻礙的連續輸出功率。
另外要說明的一點是，本發明的提供連續功率脈衝方法僅需僅用簡單的脈衝發生器。例如脈衝發生器可以是一個配置成主從單元的功率供給單元。所謂主從配置是指將兩個或多個脈衝發生器的輸出端並聯在一起，操作時是在一個脈衝發光器(主脈衝發生器)上選擇要設定的功率，其他的脈衝發生器則形成電連接，使其跟隨主脈衝發生器的功率設定。這樣做的優點是，如果要從HIPIMS濺鍍轉換成傳統式濺鍍，可以將主從配置拆開， 並將各個子陰極分別配屬於主脈衝發生器或從屬脈衝發生器。
子陰極最好具有位於標靶後方的可移動的磁性系統，其作用是使各個跑道在其所屬的子標靶上方移動。根據本發明，如果設備是在HIPIMS模式中運轉，則位於子標靶後方的旋轉的磁性系統的移動頻率最好是不會與濺鍍源之重複功率脈衝的頻率形成合理的比例。這樣做的目的是確保能夠從標靶表面將材料均勻的去除。
本發明提出一種提供具有可標度之功率脈衝時間間隔之功率脈衝的方法，以驅動PVD濺鍍陰極，其中PVD濺鍍陰極包含第一個子陰極及第二個子陰極，同時對子陰極有規定一個最大平均功率饋入量，以及對功率脈衝時間間隔有規定持續時間，本發明的方法分成以下的步驟：a)準備一個脈衝發生器，此脈衝發生器至少在接通且達到滿載功率的時間間隔結束後，能夠提供規定的固定功率輸出；b)接通脈衝發生器；c)將第一個子陰極連接到脈衝發生器，使第一個子陰極獲得脈衝發生器供應的功率；d)經過為第一個子陰極規定的第一個功率脈衝時間間隔後，將第一個子陰極與脈衝發生器分開；e)將第二個子陰極連接到脈衝發生器，使第一個子陰極獲得脈衝發生器供應的功率；f)經過為第二個子陰極規定的第二個功率脈衝時 間間隔後，將第二個子陰極與脈衝發生器分開；其中第一個功率脈衝時間間隔在時間上比第二個功率脈衝時間間隔更早開始，同時第一個功率脈衝時間間隔在時間上比第二個功率脈衝時間間隔更早結束，其中步驟d)及e)的執行方式使第一個功率脈衝時間間隔與第二個功率脈衝時間間隔在時間上有重疊，同時所有的功率脈衝時間間隔共同構成第一個群組，因此脈衝發生器能夠從第一個功率脈衝時間間隔的開頭一直到第二個功率脈衝時間間隔的尾端始終保持連續的功率輸出，而不會出現第二個達到滿載功率的時間間隔。
第一個功率脈衝時間間隔與第二個功率脈衝時間間隔在時間上的重疊不應大於功率脈衝時間間隔的x%，或是如果第一個功率脈衝時間間隔與第二個功率脈衝時間間隔並不相同，則第一個功率脈衝時間間隔與第二個功率脈衝時間間隔在時間上的重疊不應大於較短之功率脈衝時間間隔的x%，其中x小於或等於20，或最好是小於或等於10。
PVD濺鍍陰極另外具有至少一個子陰極，或最好是另外具有複數個子陰極，其中按照步驟e)及f)將另外一個子陰極與脈衝發生器連接及分開，其中該另外一個子陰極的功率脈衝時間間隔與前一個子陰極的功率脈衝時間間隔有時間上的重疊，同時第一個、第二個及其他的功率脈衝時間間隔共同構成在時間上沒有中斷的第一個群組，因此脈衝發生器在第一個群組構成的群組時間間隔期間可以始終保持連續的功率輸出，而不會出現第二 個達到滿載功率的時間間隔。
可以將第二個群組連接到第一個群組上，和第一個群組一樣，在這兩個群組內第一個、第二個及其他的子陰極會在彼此有重疊的功率脈衝時間間隔內獲得功率供應，其中第二個群組連接到第一個群組上的方式使第二個群組的第一個功率脈衝時間間隔與第一個群組的最後一個功率脈衝時間間隔重疊，因此脈衝發生器能夠從第一個群組的第一個功率脈衝時間間隔的開頭一直到第二個群組的最後一個功率脈衝時間間隔的尾端始終保持連續的功率輸出，而不會出現第二個達到滿載功率的時間間隔。
可以按照和第一及第二個群組相同的條件，將N個群組連接在一起，其中N是一個大於1的整數。
對每一個子陰極n而言，在選擇群組的數量N時，N不應大到使第一個群組到第N個群組中的子陰極n的功率脈衝時間間隔tpn扣除重疊時間tdn後的總和超過100ms。
在一個損失時間間隔期間可以將脈衝發生器輸出的功率輸送到一個不是用於鍍膜的負載，其中損失時間間隔至少包含達到滿載功率的時間間隔，同時損失時間間隔與第一個群組的第一個功率脈衝時間間隔重疊，而且損失時間間隔與所有的群組共同構成一個群組串。
可以將以上描述的方法重複多次，在最後一個群組的最後一個功率脈衝時間間隔之後，可以將脈衝發生器中斷一段時間，在計入中斷時間的情況下，這個中斷時 間可以長到能夠使輸送到子陰極的時間平均功率等於一個規定值。
利用以上描述的方法可以執行一種HIPIMS方法，其中脈衝發生器的規定功率至少是20KW，較佳是至少40KW，或最好是至少60KW。
使用HIPIMS方法時，所選擇的參數最好使輸送到子陰極的時間平均功率小於10KW，或最好是小於5KW，其中暫時及局部出現在子陰極上的放電電流密度最好是大於0.2A/cm2。
3‧‧‧功率供給單元
g1~g6‧‧‧脈衝發生器
S1~S6‧‧‧開關
q1~q6‧‧‧子陰極
第1圖係以示意的方式繪出群組串。
第2圖係顯示本發明一種實施方式的構造，其中功率供給單元3包含脈衝發生器g1至g6，其中g1至g6配置成主從單元，並能夠經由開關S1至S6與子陰極q1至q6連接。
第3圖顯示如第2圖的構造，但是主從單元被拆開，因此每一個子陰極都可以直接從一個脈衝發生器獲得功率供應。

Claims (9)

  1. 一種提供具有可標度之功率脈衝時間間隔之功率脈衝的方法，以驅動PVD濺鍍陰極，其中PVD濺鍍陰極包含第一個子陰極及第二個子陰極，同時對子陰極有規定一個最大平均功率饋入量，以及對功率脈衝時間間隔有規定持續時間，此方法分成以下的步驟：a)準備一個脈衝發生器，此脈衝發生器至少在接通且達到滿載功率的時間間隔結束後，能夠提供規定的固定功率輸出；b)接通脈衝發生器；c)將第一個子陰極連接到脈衝發生器，使第一個子陰極獲得脈衝發生器供應的功率；d)經過為第一個子陰極規定的第一個功率脈衝時間間隔後，將第一個子陰極與脈衝發生器分開；e)將第二個子陰極連接到脈衝發生器，使第一個子陰極獲得脈衝發生器供應的功率；f)經過為第二個子陰極規定的第二個功率脈衝時間間隔後，將第二個子陰極與脈衝發生器分開；其中第一個功率脈衝時間間隔在時間上比第二個功率脈衝時間間隔更早開始，同時第一個功率脈衝時間間隔在時間上比第二個功率脈衝時間間隔更早結束，其特徵為：步驟d)及e)的執行方式使第一個功率脈衝時間間隔與第二個功率脈衝時間間隔在時間上有重疊，同時所有的功率脈衝時間間隔共同構成第一個 群組，因此脈衝發生器能夠從第一個功率脈衝時間間隔的開頭一直到第二個功率脈衝時間間隔的尾端始終保持連續的功率輸出，而不會出現第二個達到滿載功率的時間間隔；其中將第二個群組連接到第一個群組上，和第一個群組一樣，在這兩個群組內第一個、第二個及其他的子陰極會在彼此有重疊的功率脈衝時間間隔內獲得功率供應，其中第二個群組連接到第一個群組上的方式使第二個群組的第一個功率脈衝時間間隔與第一個群組的最後一個功率脈衝時間間隔重疊，因此脈衝發生器能夠從第一個群組的第一個功率脈衝時間間隔的開頭一直到第二個群組的最後一個功率脈衝時間間隔的尾端始終保持連續的功率輸出，而不會出現第二個達到滿載功率的時間間隔；其中按照和第一及第二個群組相同的條件，將N個群組連接在一起，其中N是一個大於1的整數；及其中對每一個子陰極n而言，在選擇群組的數量N時，N不應大到使第一個群組到第N個群組中的子陰極n的功率脈衝時間間隔tpn扣除重疊時間tdn後的總和超過100ms。
  2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中第一個功率脈衝時間間隔與第二個功率脈衝時間間隔在時間上的重疊不大於功率脈衝時間間隔的x%，或是如果第一個功率脈衝時間間隔與第二個功率脈衝時間間隔並不相同，則第一個功率脈衝時間間隔與第二個功率脈衝時間間 隔在時間上的重疊不應大於較短之功率脈衝時間間隔的x%，其中x小於或等於20，或是小於或等於10。
  3. 如申請專利範圍第1項的方法，其中PVD濺鍍陰極另外具有至少一個子陰極，或是另外具有複數個子陰極，其中按照步驟e)及f)將另外一個子陰極與脈衝發生器連接及分開，其中該另外一個子陰極的功率脈衝時間間隔與前一個子陰極的功率脈衝時間間隔有時間上的重疊，同時第一、第二及其他的功率脈衝時間間隔共同構成在時間上沒有中斷的第一個群組，因此脈衝發生器在第一個群組構成的群組時間間隔期間可以始終保持連續的功率輸出，而不會出現第二個達到滿載功率的時間間隔。
  4. 如申請專利範圍第1項的方法，其中在一個損失時間間隔期間將脈衝發生器輸出的功率輸送到一個不是用於鍍膜的負載，其中損失時間間隔至少包含達到滿載功率的時間間隔，同時損失時間間隔與第一個群組的第一個功率脈衝時間間隔重疊，而且損失時間間隔與所有的群組共同構成一個群組串。
  5. 如申請專利範圍第1項的方法，其中重複多次如申請專利範圍第1至4中任一項的方法，並在最後一個群組的最後一個功率脈衝時間間隔之後，將脈衝發生器中斷一段時間，在計入中斷時間的情況下，這個中斷時間要長到能夠使輸送到子陰極的時間平均功率等於一個規定值。
  6. 一種包含如申請專利範圍第1至5中任一項之方法的 HIPIMS方法，其中脈衝發生器的規定功率至少是20KW。
  7. 如申請專利範圍第6項的HIPIMS方法，其中脈衝發生器的規定功率至少是40KW。
  8. 如申請專利範圍第6項的HIPIMS方法，其中脈衝發生器的規定功率至少是60KW。
  9. 如申請專利範圍第6項的HIPIMS方法，其中所選擇的參數使輸送到子陰極的時間平均功率小於10KW，或小於5KW，其中暫時及局部出現在子陰極上的放電電流密度大於0.2A/cm2。
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