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选择适当电源的艺术


有关制程镀膜电源的明智选择能帮助您达成溅镀率、薄膜质量以及设置成本和复杂性上的特定目标。每一个电源解决方案都有各自特定的优缺点。因此,并没有绝对正确的答案。您的选择必须以本文所提供的建议以及您个人的制程优先目标为基础。

电源选择概述

表1中列举了在 电源 选择要考虑的主要因素,对每种电源解决方案进行了评级。在最左边的一栏中找到对您的制程来说最重要的因素,然后选择对这些参数评级最高的电源方案。进一步参考该表格,获取有关您所选择的电源方案重要要求上性能表现的信息。然后,继续阅读了解更多需要考虑的因素,再做出最终的决定。

表 1. 电源选择矩阵

Power supply selection matrix

 

制程设置细节


这部分解决的是在溅镀制程设置中的共同问题。它所解决的是上面参考表格之中没有解答的问题,同时也提供电源设置上的建议。

选择射频电源可实现最高的薄膜质量

如果薄膜质量是您唯一考虑的要素,那么 射频电源 肯定是制程电源的最佳选择。射频能量能使等离子中的电子变得异常活跃。这能产生“捶效应”,在这种效应中电子能以更大的能量撞击基板。这使它们聚集紧密,能产生均匀平整的薄膜,孔洞也很少。

射频电源的主要缺点是它的速度非常低。它的溅镀率只有20%,而所有其它电源方案的溅镀率都有70%或更高,到达100%。然而,对于一些重要的应用,如用于外太空的天线阵和太阳能电池板,这种低速度也是可以接受的。这要取决于您认为什么最重要。

射频设置

对于使用相对较小阴极(1到1.5 m,3.3到4.9')的制程,网络匹配部署是正确设置射频的关键。为了能够使负载输送的功率达到最大化,请将匹配网络尽可能近地部署在阴极的旁边。这样能缩短从匹配网络输出电缆的长度,该电缆也是负载的一部分。因此,较短的电缆能提高功率输送和制程的可重复性。

接地是小阴极的射频设置中的另一重要因素。接地带必须要短而宽以使表面积最大化,而且所有的连接都必须非常洁净以避免产生电阻。

不幸的是,目前还没有简单的利用波长模式使用较大阴极制程的方法。与小阴极射频的制程相比,设置它们本身就更加复杂,而且其中也需要更多的试验,出错的几率很高。

旋转阴极与射频电源不兼容。一般来讲,它们最适合用于交流、直流或脉冲直流电源供电的制程中,在这些制程中它们能将靶材利用率提高80%至90%。

在交流和射频电源中选择

是选择 交流电源 或是射频电源,取决于靶材的材料和/或想得到的薄膜质量。如果阴极的长度长于 13.56 MHz 的1/4波长,您将碰到薄膜厚度不稳定的麻烦(以后各期刊将对此课题进行讨论)。

选择交流和脉冲直流电源

选择交流电源还是选择 脉冲直流电源, 取决于您系统中阴极的数量。对于任何非在线一批次系统而言,脉冲直流电源应该是一个更好的选择。而对于一个拥有不只一个阴极的新在线系统而言,与脉冲直流相比选择交流更好。它能带给您只需少量的钱,就能进行更清洁、制程更持久,而且薄膜质量也更佳的极大投资报酬率。

问题上的改进:

  • 如果您想更新一个已经配有交流电源的系统,请继续使用交流电源。
  • 如果您想更新一个已经配有直流电源的系统,而且您只使用一个阴极,请转而使用脉冲直流电源。
  • 如果您想更新一个已经配有直流电源的系统,而且非常有可能增加一个阴极,那么请转而使用交流电源,因为正如前文所述,交流电源的投资报酬率很高。

选择直流和脉冲直流

选择脉冲直流电源通常都比只是直流的电源好,因为脉冲直流电源生产出的薄膜质量更佳而且正常生产期更长。很多系统使用直流电源是因为安装它们的时候还没有推出脉冲技术的电源。

加上低频脉冲能使电子更加活跃,产生“捶击效应”。这样能改善薄膜的平整性、聚集密度和透射性,而且还能减少孔洞的产生。使用脉冲直流电源的制程还比普通的直流需要耗时更短、频率更少的溅镀腔室清洁步骤。这能大幅提高制程的生产效率和成品产量。

成本不是选择普通直流还是选择脉冲直流电源的重要决定性因素。与普通直流相比,脉冲直流可以使用便宜很多的靶材。请参见 选择脉冲直流或交流比普通直流节约靶材成本,了解更多详情。

选择脉冲直流或交流比普通直流节约靶材成本

一般来说,与普通的直流相比,交流和脉冲直流生产出的薄膜质量更好。这能使交流或脉冲直流的制程通过使用较低级的靶材节约大量成本。任何一种直流溅镀制程都会产生“凸起”,它们会凸进和刺穿临近的材料层。因此使用直流电源的制程必须使用昂贵的高等级铝靶材,而交流和脉冲直流制程可以使用价格较能接受的靶材,而且对薄膜的质量没有任何负面的影响。

加装脉冲直流附件可以提高薄膜质量,增加活动生产周期长度及节约成本

直流脉冲附件(例如 AE 的 Pulsar® 附件)能提高薄膜质量,延长生产周期活动长度,而且无需大量成本花销。对于能产生脉冲直流电源的所有类型直流溅镀电源来说,安装脉冲附件都很容易。它能提高电子能量,使薄膜更加平整。它还能降低对溅镀腔室清洁的要求,从而大量增加您的投资报酬率。这能大幅延长生产活动的长度周期。正如前文所述,脉冲能采用成本较低的靶材,能节约更多成本。

选择射频直流和射频脉冲直流电源

一般来说,选用射频脉冲直流电源比普通的射频直流电源要好。有关薄膜质量、生产率和成本上的区别和前文中 在直流和脉冲直流电源中选择 的描述可以一样的应用。

设置射频直流电源或射频脉冲直流电源的制程

将射频和直流或将射频和脉冲直流结合在一起会给制程设置增加一些复杂性和成本。当这两种不同类型的电源同时运作时,尤其是在电弧控制上会带来挑战。

这些配置中,直流或脉冲直流电源能比射频电源更加精确地发现电弧并对电弧做出反应。因此,您的直流电源必须能控制您的射频装置,当出现电弧时能把直流和射频电源都关闭。它必须还要能在电弧消失后迅速恢复供电。当今市场上的直流电源在此方面有很大的差异。有些并不提供内置的直流/射频控制方法,有些则提供强有力的控制。例如,Arc-Sync™ 技术能使 Pinnacle® Plus+ 直流电源 简单有效地控制互连的 CESAR® 射频装置 来完成控制电弧。

选择二级溅镀和磁控溅镀

您在溅镀速度、薄膜质量以及靶材利用方面优先考虑哪个,这决定着您是选择二级溅镀还是选择磁控溅镀。二级溅镀应用能生产更均匀的薄膜,而且拥有100%的靶材利用率。但是,与磁控溅镀相比它的溅镀率要低很多。磁控溅镀应用拥有较高的溅镀率,但是最大靶材利用率就只有50%。按照磁控的形状,靶材以椭圆形的形状(被称为“跑道”)被消耗,而其余的部分用不到。

 

请教 Doug!

Doug Pelleymounter photo

您的溅镀制程让您感到头疼了吗?

Doug Pelleymounter是 AE 的高级现场应用工程师,拥有超过32年处理各种具有挑战性的溅镀应用的实际操作经验。在此专栏中,Doug 将帮您解答一些您所面临的棘手的应用问题。提交您的问题或评论至 sputtering@aei.com

  1. 我使用的是一种专用的靶材。我该如何决定使用哪一类型的制程电源呢?是射频电源还是交流或直流电源?
  2. 很好,但是我该如何在交流和直流电源中选择呢?
  3. 我该如何决定是普通直流或脉冲直流电源更适合我的制程呢?
  4. 我能达到多少溅镀率?
  5. 我的溅镀设备系统中输入的电弧设定值是多少?
  6. 我的溅镀率过去一直很稳定。为什么今天突然起了变化呢?

  1. 我使用的是一种专用的靶材。我该如何决定使用哪一类型的 制程电源 呢? 射频电源 还是 交流直流 电源?
    答: 要想决定您是否需要使用射频电源其实很简单;您只需要一个简单的欧姆表。将欧姆表的两支表笔放在靶材表面的任意两点。如果您的欧姆表读数为无穷大(例如纯二氧化硅铝靶材的读数就是无穷大),那么您的制程就需要选用射频电源。而如果您的欧姆表有不是无穷大的其它读数,则使用交流或直流电源。

  2. 很好,但是我该如何在交流和直流电源中选择呢?
    答: 这是一个复杂的问题。如果您的制程是批次制程,您可能需要直流或 脉冲直流。这里我们关心的问题是制程中阳极消耗的问题。如果您反应性地使用直流电来溅镀 SiO2,阳极(浮动或溅镀腔室)最终将积聚起绝缘的 SiO2。该绝缘层会阻止电子流回电源(正极流回)。制程电压会上升,制程将出现问题并最终因为大的电弧放电和功率的下降而终止。关键是了解您的制程有多长以及您想溅镀的材料有多少。您必须非常了解您溅镀腔室的几何构造和溅镀制程。在保持阳极更干净更长久方面有很多有趣的小窍门。脉冲直流是其中的一种。(其它的再做其它讨论。)

    数天或数周的需要溅镀绝缘材料在线制程比较简单。交流电源用在这种情况非常好。相对不好的一面是需要再购买、安装和维护第二个阴极。交流电源能提供改进薄膜的质量,包括更高平整度、更少的孔洞以及更佳的聚集密度。


  3. 我该如何决定选择普通的直流或脉冲直流电源更适合我的制程呢?
    答: 使用脉冲直流电源通常都能获得更好的薄膜质量,但是普通的直流电源更便宜。然而,使用脉冲直流电源能使您无需再购买一个昂贵的阴极。而且脉冲直流电源能改善薄膜的平整性、聚集密度和透射性,而且还能减少孔洞。


  4. 我能达到多少溅镀率?
    答: 如果我能非常容易地回答这个问题,那我可就出名且发财了!溅镀率的多少取决于每个不同的配置——配置可能是动态的。决定溅镀率的有以下因素:
    • 溅镀腔室几何构造和阴极/阳极设计
    • 运行气压
    •  气体混合
    • 靶材厚度
    • 磁场强度
    • 运行功率
    • 靶材到基板的距离

    你将可能看到溅镀率在2到10 Å /秒。我在这里想要说的是优化您的溅镀系统既是一门科学也是一种艺术——必须在成本、溅镀率和薄膜质量之间保持平衡。而事情的关键是要真正地了解您的溅镀腔室和溅镀制程。您应该以初始速率运行比您实际制程更长的时间,以了解您的溅镀腔室和制程特点。要了解在您实际制程时会发生什么,您可以在较低功率的条件下尝试这些初始速率,慢慢调高功率,作为一种系统评定的方法。

  5. 我的溅镀设备系统中输入的电弧设定值是多少?
    答: 这也是一个能让我出名发财的问题。和上个问题一样,答案取决于几个变量:
    • 靶材的材质和厚度
    • 阴极的尺寸
    • 运行电压,运行电压受气体混合、磁场强度和溅镀腔室压力的影响。

    对于典型的情况,我推荐设定电弧分界点为运行电压的10%。然而,更大的靶材需要更长的关闭时间,因为完全驱散这些较大靶材上电弧的能量需要更长的时间。靶材表面积越大,电弧处理的关闭时间越长。


  6. 我的溅镀率过去一直很稳定。为什么今天突然变化了呢?
    答:我对这个问题的第一反应是:您对系统做的最后一件事是什么?在90%左右的情况下,这都能告诉你答案。如果想不明白,可以采用下面其它的方法来查看。
    • 您是否看到更多的电弧?
    • 等离子的颜色是否发生了改变?
    • 电源的电压和电流是否发生了变化?
    • 您是否能够达到相同的本底基气压?
    • 达到相同制程气压力所需的气体流量是否相同?
    • 达到上升测试率所需的时间是否相同?

    所有上述的情况都说明在溅镀腔室的某处发生了泄露。也可能是需要溅镀腔室清洁了。以上两种情况的处理都需要更加深入的讨论。
 
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