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2007年第三季度《Sputter Spotlight®》
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Sputter Spotlight masthead

评估电源质量


决定适合您制程的电源涉及到两个重要选择:采用何种制程电源的模式以及选择哪家产品供应商。您可能选择了理想的电源模式,甚至顺利地进行了安装,但一个不太能适应现实情况的设备会导致所有的努力白费,可能让您的潜在优势也随之消失。也因此,选择一款信誉好、质量优的产品和供应商至关重要。

气体关闭时会发生什么情况?

如果您的电源发生故障,制程就会停止。高质量的电源可以保证您的制程产量,保护您的投资资本。它可以耐受苛刻的制程要求,甚至可以使您的设备免于维护不到位(如未能更换气瓶)可能导致巨大的不利影响。

六项电源性能基本测试

如果气体用尽,您的电源会自毁吗?为评估您现有电源的质量,或帮助您选择一款新电源,请考虑以下测试。这些测试展现真实的严峻条件,将次品考虑剔除范围。

请注意,这个过程可能导致质量不合格电源的自毁。如果您不确定电源在这些条件下是否合格,或者正在考虑购买新的电源,您可以只从理论上考虑以下问题。但是,所有经测试的 AE 电源都是在设计上已考虑可以耐受苛刻的环境。


警示!

不合格电源可能会在本文所述的苛刻环境下造成危险。请采取所有必要措施,以确保人员和设备在测试进行中的安全。



测试1

全额定输出功率下运转您的电源。突然关闭气体供应。这是在模仿有人未能补充气体或替换气体瓶的现实情况。电源会产生什么反应呢?它是继续正常运行,还是只转到高压、断路情况,还是发生故障(故障可能涉及烟雾、火光或其他明显的故障显示)?

如果您的电源仍能完全正常运转,请继续以下测试。

测试2

重新供应气体。即使通过了测试1,那么现在您的电源现在是出现故障,还是重新正常运转呢?

如果您的电源仍能完全正常运转,请继续以下测试。

测试3

经过了测试1和测试2后,将您的电源运行在全金属模式(高电压、低电流)。

如果您的电源仍能完全正常运转,请继续以下测试。

测试4

缓慢降低气压至 4 Torr 中间范围。您的电源应该可以耐受气体不足的情况。

如果您的电源仍能完全正常运转,请继续以下测试。

测试5

为测试您电源的快速处理能力、大幅的阻抗值变化(参见下列滞后曲线)的能力,请您先以充氩、全金属模式(高电压、低电流)运行电源,然后快速切换至充氩、全额定功率、全反应模式,最后转到充氩、全额定功率。

Hysteresis curve

滞后曲线


如果您的电源仍能完全正常运转,请继续以下测试。

测试6

如果您的电源通过了1-5项测试,在严峻的电弧放电条件下对其进行观察。电源是否能在电弧破坏薄膜质量前发现并进行消弧处理?

结论

如果不能通过所有测试,您的电源质量就不足以确保您的制程产量和投资资本。如果您在寻求一款经测试可耐受这些苛刻环境的电源,AE 可为您提供。所有的 AE 电源能够在苛刻的真实条件下保持卓越性能,包括本文所述的条件。此外,如有必要,先进的保护电路可以关闭设备,以防止电源设备损坏。



在“请教 Doug!”专栏上刊登

您在进行测试时观察到了什么?请发送观察结果(正面的、负面的、复杂的或其它任何结果)至 sputtering@aei.com. 。欢迎来信提供书面叙述、数据和图片。*

* 请在来信中附上您同意 AE 将您的信息刊登在下期杂志上的声明,并告诉我们您是否愿意公开名字还是匿名。





不想在凌晨两点被打扰:制程最常见问题的解决方法


突发性等离子损失、意外出现孔洞以及整体薄膜质量快速下降是制程工程师可能在凌晨两点被电话惊醒的三大原因。随后的章节讲述了产生这些现象的最常见原因,并提出了在必须致电制程工程师之前使制程恢复正常的解决方案。

突发性等离子损失

您对制程电源模式的选择通常取决于突发性等离子损失。当您采用无法定期反向电压的方法时,如反应模式下的普通直流电源,您可能会发现阳极出现介电薄膜形成。当介电薄膜形成时,电子无法从阴极通到阳极。因此阻抗增高,导致电压提升。这些条件增加了电弧放电,而如果没有处理措施,电弧放电将继续增加,直到您的等离子流失,制程完全终止。

如何在制程中防止电弧放电“死亡螺旋”?请考虑以交流电或脉冲直流电改变您的电源模式。请参看我们 2007年第一季度《Sputter Spotlight》 期刊制程电源选择矩阵部分,了解有关选择制程电源的更多信息。

其他等离子损失的可能原因包括弱磁,劣质靶材材料和功率损耗。 请联系 Doug 了解有关突发性等离子损失的其他可能和补救方案。

孔洞

孔洞出现的根本原因是过多的电弧能。如果您发现了孔洞,您的电源要么是无法在形成电弧时保持低存储能源,要么就是电弧处理设置不正确。

保持低存储能源的能力取决于电源自身,所以请选择一款最初就存储极少能源的产品。就保持极低存储能源的能力而言,AE 电源是制程电源领域的佼佼者。例如, Crystal 交流电源 存储的能源可低达 1 mJ per kW。

市面上某些电源产品的消电弧设置十分复杂,可能简单地关掉这个功能,而不是浪费时间在试图掌握这个功能或承受不正确设置带来的风险。选择一款使您能够轻松掌握并设置消电弧参数的电源产品。AE 电源使您能够轻松设置检测时间、关闭时间和停弧水平。

您对制程电源模式的选择也会影响孔洞的出现。对于预防孔洞出现至关重要的应用产品而言,交流和脉冲直流电源不失为极佳的解决方案。请参看我们2007年第一季度《Sputter Spotlight》期刊 制程电源选择矩阵 部分,了解有关选择制程电源的更多信息。

整体较低的薄膜质量

与整体薄膜质量相关的突发问题通常由靶材老化、有缺陷的气体和/或压力表、或真空腔室泄漏。

当平面靶材的接近使用寿命时,它们慢慢开始跨越其跑道凹槽进行交叉溅镀。这会导致等离子区的分子碰撞,从而增强电弧放电。这些碰撞还可导致跑道背面的再沉积,这会进一步增强电弧放电。电弧放电现象不断增强,最终完全摧毁并关闭该制程。针对该问题的解决方案是更换您的靶材。

Racetrack erosion pattern

跑道侵蚀模式


气体量表故障可导致气体混合失误,如果您的压力表出现故障,压力可能增至超过适当水平。随着压力增大,沉积的薄膜变得孔洞更多,因为在等离子区出现了更多的分子碰撞。在任何一种情况下,为了恢复薄膜质量,请更换您的气体和/或压力表。

对于薄膜质量来说,真空腔室泄露也是个罪魁祸首,因此需要检查真空腔室是完好性。





请教 Doug!

Doug Pelleymounter photo

您的溅镀制程令您不甚满意吗?

AE 的高级现场应用工程师 Doug Pelleymounter, 拥有超过32年处理各种具有挑战性应用问题的实际操作经验。在本专栏中,Doug 将为您解答一些应用难题。请将您的问题或评论提交至 sputtering@aei.com。 

  1. 使用平面和可旋转靶材有何不同?
  2. 平面和可旋转靶材的不同侵蚀类型是如何在其靶材使用寿命期间影响制程的?
  3. 一般来说,前面您已经提到,脉冲直流电源和交流电源生产出的薄膜质量比普通直流电源要高。那么,它们生产的薄膜质量实际上究竟有何不同?
  4. 我该怎样优化我的溅镀率?
  5. 我听说有一种即将推出的 HPPMS 技术可以生产极其平整而均匀的薄膜,但是现在还没有广泛推出。有没有其他选择可以用现有的设备生产出类似质量的薄膜?
  1. 使用平面和可旋转靶材有何不同?
    答: 通常,平面靶材的利用率约为35%,可旋转靶材的利用率约为85%。这些数字与所采用的制程电源模式或靶材材料无关。但是,请注意,可旋转阴极不能与射频电源兼容。一般来说,可旋转阴极最适合用于交流、直流或脉冲直流电源供电的制程。


  2. 平面和可旋转靶材的不同侵蚀类型是如何在其靶材使用寿命期间影响制程的?
    答: 尽管平面和可旋转靶材的侵蚀方式确有不同,但实际上您在该靶材使用寿命期间处理制程电源的方式基本是相同的。就可旋转靶材而言,靶材厚度以一种一致的方式减少,从而导致磁体向靶材表面移动。这将导致电流的增大和电压的降低。尽管平面靶材的侵蚀方式不一致,但您会发现电流减小,电压增大。


  3. 一般来说,前面您已经提到,脉冲直流电源和交流电源生产出的薄膜质量比普通直流电源要高。那么,它们生产的薄膜质量实际上究竟有何不同?
    答: 以下的图片显示,薄膜质量存在十分显著的差异。


    Film quality produced by straight DC power

    普通直流电源生产出的薄膜质量(上图) vs 脉冲直流电源生产出的薄膜质量(下图)
    资料来源:英国索福尔德大学 (University of Salford)、先进材料与表面工程中心 (Centre for Advanced Materials and Surface Engineering)


    Film quality produced by pulsed DC power





    Film quality produced by straight DC power

    普通直流电源生产出的薄膜质量(上图) 相对于 交流电源生产出的薄膜质量(下图)

    Film quality produced by AC power


  4. 我该怎样优化我的溅镀率?
    答: 这与先前的 “请教 Doug!”, 的内容有很多重复,在“我可以获得多少的溅镀率?”中我已经回答了这个问题。

    这个问题的一般规则是压力越低,溅镀率和薄膜质量越高,因为这种情况下等离子区的分子碰撞较少,等离子投射距离(溅镀的粒子从靶材到达基板的能力)较长。因此,尽可能地在低的压力下进行溅镀,当然,要避免陷入气体不足的情况,这会使您的电源出现问题。(见以上 评估电源质量 。)

    您可以做的第二件事是使用一个磁场强度计来检查磁控管的平衡。不平衡的磁控管会增大等离子投射距离,产生多余的电子,这会影响基板温度和薄膜质量。平衡的磁控管可集中投射距离,这将有助于您提高溅镀率,尤其是当阴极与基板之间的距离较大时。
    Unbalanced magnetrons




    不平衡的磁控管(上图)相对于 平衡的磁控管(下图)




    Balanced magnetrons

    第三,检查磁体的强度。随着磁体磁力的增强,等离子投射距离也随之增大。需要注意的一件事就是,尽管这可以带来更高的溅镀率和薄膜聚积密度,但较强的磁力会加深靶材凹槽深度,这会降低利用率。

    所有的这些都表明,溅镀率是一个复杂而多方面的问题。如需获得具体情形的建议,请通过电邮 sputtering@aei.com 与我联系。

  5. 我听说有一种即将推出的 HPPMS 技术可以生产极其平整而均匀的薄膜,但是现在还没有广泛推出。有没有其他选择可以用现有的设备生产出类似质量的薄膜?
    答: 你很幸运!现在有一种非常易于使用的技术可为你带来平整度类似于 HPPMS(高功率脉冲磁控管溅镀)技术的薄膜质量。这种技术结合了两种制程供电方式:射频和脉冲直流电源。另外一个好处就是,尽管它是一种相对较新的方法,但射频脉冲直流电却拥有足够长的采用时间,大量的相关信息已经被开发并推广。欲查询有关该电源模式的详情,请见AE的电 源选择矩阵,以及我们的 射频直流电源制程电弧处理应用注释。
 

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