脉冲磁控溅射的工作原理和工作方式

脉冲磁控溅射是采用矩形波电压的脉冲电源代替传统直流电源进行磁控溅射沉积。脉冲磁控溅射技术可以有效的抑制电弧产生进而消除由此产生的薄膜缺陷，同时可以提高溅射沉积速率，降低沉积温度等一系列显著优点。

         脉冲可分为双向脉冲和单向脉冲（如图5所示）。双向脉冲在一个周期内存在正电压和负电压两个阶段，在负电压段，电源工作于靶材的溅射，正电压段，引入电子中和靶面累积的正电荷，并使表面清洁，裸露出金属表面。加在靶材上的脉冲电压与一般磁控溅射相同(400～500V)，脉冲磁控溅射通常采用方波脉冲波形，在中频段(20～200 kHz) 即可有效消除异常弧光放电的发生，控制靶材放电的时间，保证靶材不中毒、不出现电弧放电，然后断开靶电压甚至使得靶材带正电。因为等离子体中电子运动速度远高于离子速度，变换的靶材正电压一般只需要负偏压的10%～20%，即可以防止电弧放电。有研究认为，脉冲宽度（正负电压时间之比）具有关键作用，脉冲宽度达到1∶1 时具有最佳抑制效果；正电压大小对是否产生电弧放电没有明显影响，但是极大的影响沉积速率，正电压从10%提高到20%(与负电压之比)，沉积速率可以提高50%。

图5 （a） 单向脉冲（b） 双向脉冲

         双向脉冲更多地用于双靶闭合式非平衡磁控溅射系统如图6，系统中的两个磁控靶连接在同一脉冲电源上，与中频孪生靶相似，两个靶交替充当阴极和阳极，阴极靶在溅射的同时，阳极靶完成表面清洁，如此周期性地变换磁控靶极性，就产生了“自清洁”效应。

         脉冲磁控溅射的主要参数包括溅射电压、脉冲频率和占空比。由于等离子体中的电子相对离子具有更高的能动性，因此正电压值只需要负电压值的10%～20%，就可以有效中和靶表面累积的正电荷。脉冲频率通常在中频范围，频率下限决定于保证靶面累积电荷形成的场强低于击穿场强的临界值，频率上限的确定主要考虑到沉积速率，一般在保证稳定放电的前提下，尽可能取较低的频率。占空比的选择在保证溅射时靶表面累积的电荷能在正电压阶段被完全中和的前提下，尽可能提高占空比，以实现电源的最大效率。

图6 双靶双向脉冲磁控溅射示意图

         另一个最新发展是在衬底上加脉冲偏压。脉冲偏压能够大大提高衬底上的离子束流。在磁控溅射中，直流负偏压一般加到－100 V 时，衬底离子束流即达到饱和，提高负偏压不会增加衬底离子束流，一般认为该饱和电流为离子束流，电子无法接近衬底表面。使用脉冲偏压则不然，研究表明，脉冲偏压不仅能够提高衬底饱和电流，而且随着负偏压的增大，饱和电流增大；当脉冲频率提高时，该效应更加显著；该机制仍然不很清楚，可能与振荡电场产生的等离子体的离化率及电子温度较高这一效应有关。衬底脉冲负偏压为有效控制衬底电流密度提供了一种新的手段，该效应可以应用到优化膜层结构、附着力，以及缩短溅射清洗及衬底加热时间。