HiPIMS脉冲波形对辉光放电特性的影响

引言

HiPIMS电源属于脉冲电源的一种，通过降低占空比到低于10%，在相同功率情况下，可以使得磁控溅射峰值电流三个数量级的增加，本文将介绍脉冲波形对于辉光放电特性的影响，为控制不同靶材辉光特性及工艺优化提供参考。

点睛

1)在工艺中，往往希望得到高的峰值电流和低的靶电压，但这两者往往是矛盾的，需要在工艺中综合考虑。

2)HiPIMS电源可调参数多，即使在相同占空比下，针对不同靶材，其脉冲宽度，占空比，靶电压与峰值电流都会出现不同的特性，增加工艺控制手段的同时，也增加了优化难度。

3)随着靶电压的增加峰值电流密度增加，但是在不同电压段，峰值电流变化趋势不同。

4)在长脉宽下，金属放电会进入自持放电模式，会降低溅射速度，但可以增加离子种类和数量，需要根据工艺要求择优选择。

内容

在Cr靶磁控溅射中，通过增加脉冲关闭时间到1450us和2450us来调节脉冲占空比低至3.33%和2%, 在平均电流不变情况下，增加脉冲周期时间，会使得靶电压和峰值电流都大幅度的增加，如图1所示。随着电压增加，其高峰值电流持续时间也延长。在功率恒定情况下，通过改变脉冲结构可以获得不同的靶电压和峰值电流，从而获得不同的等离子体性能。

图1、脉冲关闭时间(占空比)对电流和电压影响

HiPIMS等离子体性能的最大影响的因素就是峰值电流。接下来介绍不同峰值电流与靶电压的关系；不同峰值电流中，气体离子和金属离子的变化关系。

不同脉冲占空比下电压与峰值电流关系，如图2所示，电压和峰值电流的关系都可以分为：

A、电压小于400V时，峰值电流密度随着电压增加成18倍的斜率增加，(像DC等离子体，电流密度小于0.36A/cm2)。

B、电压在400-550V，随着电压增加，峰值电流密度基本不变，主要是增加等离子体的阻抗。

C、550V-650V时随着离化率的增加，电流密度又随着电压的增加而增加。D、大于700V之后，当峰值电流大于1.6A/cm2之后，靶磁场对电子的束缚和影响就基本消失了，峰值电流又会再一次趋于平稳。

图2、不同脉冲占空比下电压与峰值电流关系

不同峰值电流中气体离子和金属离子的变化关系，如图3所示，相对应于峰值电流密度的四个阶段，等离子体强度中金属离子和气体离子之间的关系图。A、在最小峰值电流时，有气体离子和金属离子数量都增加；

B、当继续增加峰值电流到0.5Acm-2，Cr粒子和离子的强度会增加，而Ar离子不会增加；

C、继续增加峰值电流到1.6Acm-2时，Ar粒子数量开始降低，显示出明显的气体稀薄效应；

D、继续增大电流时，气体稀薄更加凸显，靶面辉光以金属离子为主。

图3、不同峰值电流下气体离子与金属离子的产额差别

如果靶脉冲时间拉长看，其放电电流与电压的关系，有两种模型，如图4所示，对于金属易于溅射的材料，在长的脉冲时间可以使放电进入自持溅射模型，大于750V之后，基底离子电流甚至大于靶的放电电流，同时有足够长的时间可以产生更多种类的带电粒子，如更多二价金属离子。由于C的低的溅射产额和高的离化势能，导致靶的溅射不能维持其自溅射模式。这也是为什么C的溅射速率和离化率都比较低的原因。对于这类材料没必要用长的脉冲时间。

图4、长脉宽下放电电流与电压关系模型，（a）金属模式 （b）非金属模式[3]

长脉冲时间中电流的变化，不仅跟功率和脉冲结构有关，还和靶材的二次电子发射有关。在溅射过程中产生的二次电子在磁场的驱动下也能产生部分的电流。也就是说，功率和脉冲结构还有靶材的一些特性，像溅射产额，离化势能，溅射产生二次电子数量等等都会直接影响到电流持续时间。所以会有金属Al和非金属C有不同的规律出现。

结论

1)峰值电流与靶电压关系，总体趋势是随着靶电压的增加峰值电流增加，但变化趋势不同，在400-550V之间只增加等离子体阻抗；

2)在高峰值电流下，金属离子会和气体离子在时间上分离；

3)在长脉宽下，金属放电会进入支持放电模式，可以增加离子种类和数量，像碳等高离化能材料，即使在长脉宽下也不能增加离化。