电源工作模式对中频磁控溅射沉积速率的影响研究

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1、电源工作模式对中频磁控溅射沉积速率的影响研究沉积速率是衡量磁控溅射镀膜设备性能的关键指标，它的大小不但影响制备薄膜的效率而且直接影响薄膜的许多性能，如薄膜应力[1]、电阻率[1]、折射[2]表面形貌[2]等。磁控溅射的沉积速率与靶功率[2,3,4]、工作气压[3,4]、靶基距[3,5]、靶材材质、工件运动状态等许多因素有关。在磁控溅射过程中，由于送气流量和抽气速度等在长时间工作情况下不可避免地存在一定的波动而引起负载发生漂移，为了保证镀膜稳定的进行和镀膜工艺的重复性，通常利用磁控溅射电源的内部电路实现电压、电流或功率的稳恒输出。

2、因此通常的磁控溅射电源为恒压、恒流或恒功率工作模式。由于磁控溅射在不同的电源工作模式下电源保持稳恒输出量不同，所以不同的工作模式下电参数的调节只能分别依据保持稳定的电压、电流或功率，其他的只能做为参考。因此有必要研究不同工作模式下沉积速率与被稳定的电参数的对应变化关系，以及气压等工作条件变化时沉积速率的变化情况，为从沉积速率方面考虑，确定需要那种电源工作模式提供参考依据。本文采用中频孪生钛靶磁控溅射装置，以磁控溅射沉积钛薄膜为例，对不同电源工作模式下沉积速率与电源电压、功率和电流的关系，工作气压、频率占空比改变时沉积速率的变化进

3、行了研究。1实验图1为实验所用的中频孪生靶磁控溅射装置示意图。从电的方面考虑，中频电源相当于可以调节的恒压、恒流、或恒功率源，具体是哪种源由选择的工作模式决定；孪生靶可等效为可变电阻与可变电容的并联，这个电阻主要受到气压及孪生靶温度的影响，变化范围比较大，电容也受到工作气压的影响，但变化很小，可以认为恒定不变；此外，连接电源与孪生靶的导线也是有一定电阻的，且也受到自身温度的影响，但由于该电阻比较小，且变化范围也很小可忽略不计，它们统称为孪生靶电阻。图1中频孪生靶磁控溅射装置示意意图装置中，孪生靶靶面长度1800mm，单靶靶面宽度

4、90mm，采用循环水间冷方式冷却；孪生靶靶材为高纯钛，以氩气为工作气体；中频电源为成都普斯特电气有限责任公司生产的MSB-50型中频磁控溅射电源，有恒压、恒流、恒功率三种工作模式，频率在20~40kHz、占空比在20%~70%之间连续可调节；晶振仪即薄膜镀层控制仪的简称，是INFICON公司生产的，型号为XTC/C，其探头安装在距离孪生靶靶面中心垂直距离100mm的位置，从而实现沉积速率的实时测量。2结果与讨论2.1恒压工作模式下的沉积速率恒压工作模式下，电源以设定的电压值为目标，通过调节内部电路输出恒定的电压。为了确定恒压工作

5、模式下沉积速率与电源参数的关系，在恒压模式下，固定频率为35kHz、占空比为70%，分别实验0.33Pa、0.44Pa、0.61Pa气压下，沉积速率和电压的关系。实验中发现，恒压工作模式下，在开始的几分钟内，沉积速率不是稳定为某一个确定的值，而是随着溅射时间逐渐稳定。进一步实验发现，如果是增加电压到某一个值，则沉积速率会先上升，然后逐渐稍微下降；如果是减小电压到某一个值，沉积速率会先下降，然后逐渐稍微上升。据此推测，可能是孪生靶温度变化导致电阻变化引起的。电压升高时功率增大，孪生靶温度升高，电阻就变大，消耗的用来发热的电能相对热

6、稳定前就多，热稳定后比热稳定前沉积速率就低了；反之则相反，沉积速率比热稳定前高。所以，实验是在热稳定后记录的沉积速率的值，实验结果如图2所示。图2恒压模式下沉积速率和电压的关系从图2可以看出，在不同的工作气压下，沉积速率和电压有相似但不同的对应关系：曲线形状相似，沉积速率和电压对应大小不一样。随着气压的升高，相同电压下对应的沉积速率也升高，这可能是在相同的电压下，随着气压的增加，电离的氩离子增加，即轰击靶材的离子增加导致轰击出的靶材离子也增加的原因。2.2恒功率工作模式下的沉积速率恒功率工作模式下，电源以设定的功率值为目标，通过

7、内部电路随时调节输出电压，实现恒定的功率输出。在恒功率模式下，仍固定频率为35kHz、占空比为70%，分别实验了0.26Pa、0.38Pa、0.45Pa气压下沉积速率和功率的关系。在恒功率实验中同样发现了类似恒压实验中的沉积速率变化现象，但是，该工作模式下沉积速率的变化比恒压工作模式下的要小一些。可能原因是，恒压模式下，电压不变，电阻变化引起的电流变化比较大，电源输出功率就改变了。电源输出功率改变和发热消耗功率的改变双重作用，使得真正用来溅射的功率改变比较大，沉积速率变化就比较大。而恒功率模式下功率不变，只是用来发热的功率改变了

8、，相对总功率也要变化的恒压模式，沉积速率变化就小了。因此，实验中记录的沉积速率是在稳定时的值，实验结果如图3所示。从图3可以看出，恒功率工作模式下，不同的气压，相同的功率对应的沉积速率变化很小，沉积速率和功率有近似的线性关系，但是，这个线性关系是不严格的，随着功