[发明专利]一种等离子体溅射镀膜方法

说明书

本发明公开了一种新型等离子体溅射镀膜方法，该装置由控制系统,高、低压储能单元,负极性高压预电离脉冲电路,双极性低压主脉冲电路,脉冲合成电路及等离子体负载组成；提出高压短脉冲对等离子体预电离和高功率双极性脉冲磁控溅射设计方法，对等离子体负载按照一定重复频率进行多次高压短脉冲预电离和高功率双极性脉冲电场处理，减小负极性高压短脉冲与高功率正、负双极性低压主脉冲之间的时间间隔，以增强电压脉冲与等离子体负载之间的耦合，用于解决靶材电离时刻不一致问题。根据溅射靶材和等离子体气体的不同可以调节负极性高压短脉冲的宽度和电压幅值，可以降低磁控溅射装置内气体的工作气压，实现低气压溅射镀膜，有利于提高粒子的沉积速率和减小薄膜表面粗糙度。

技术领域

本发明属于微电子、光学薄膜和材料表面处理研究技术领域，具体涉及一种新型等离子体溅射镀膜方法及装置，通过负极性高压短脉冲对等离子体预电离和高功率双极性低压脉冲磁控溅射，用于解决溅射镀膜效率低和提高薄膜表面性能等问题。

背景技术

近年来，涂层的制备方法主要采用物理气相沉积（PVD）技术，利用辉光放电、弧光放电或者热蒸发等物理放电过程，在基体表面沉积薄膜涂层的技术。PVD技术主要包括真空蒸镀、真空溅射和离子镀三个类型。磁控溅射技术作为真空溅射的一种，以其独特的优点，如沉积温度低、薄膜密度高以及膜厚易控制等，使其成为硬质涂层制备广泛采用的技术之一。磁控溅射工艺要求磁控溅射电源快速电离工作气体形成稳定的等离子体，在靶材表面形成稳定的入射离子流。由于直流磁控溅射技术金属离化率低和粒子可控性差，不再适合新型薄膜制备，目前研制高功率脉冲磁控溅射电源的技术有以下两种：一是具有高功率脉冲峰值和没有预处理两大特点的高功率脉冲电源，这种电源不能保证重复频率工作下每一个高功率脉冲都能使等离子体发生电离成功溅射粒子；每一个高功率脉冲发生电离的时刻不一致；容易产生起弧打火现象，电压和功率很难被控制等缺点。一是具有高功率脉冲峰值和直流形式预处理特点的高功率脉冲电源，这种电源靠直流部分来实现起弧预处理，但由于高功率脉冲占空比少于直流部分的占空比，电源体积较大、效率较低，且实际应用中粒子沉积速率相对比较低，溅射效率较低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供了一种新型等离子体溅射镀膜方法及装置，本发明提出采用高压短脉冲对等离子体预电离和高功率双极性脉冲磁控溅射设计方法。通过对等离子体负载施加负极性高压短脉冲电场，快速使工作气体发生电离中的气体电离形成阻抗较低、稳定的弱电离放电通道；随后受到高功率负极性低压脉冲电场，用于靶材的溅射；受到正极性低压脉冲电场，用于引入电子清洁铌靶表面，中和靶材表面积累的正电荷。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型等离子体溅射镀膜方法及装置，由控制系统、高压储能单元、低压储能单元、负极性高压预电离脉冲电路、低压双极性主脉冲电路、脉冲合成电路及等离子体负载组成。所述的负极性高压预脉冲和低压双极性主脉冲输出的电压幅值、脉冲宽度、最大输出电流等参数单独可控，互不干扰。

在上述方案中，所述对等离子体负载施加负极性高压短脉冲和高功率正、负双极性低压电脉冲，使等离子体负载受到负极性高压短脉冲电场、高功率负极性低压脉冲电场和正极性低压脉冲电场的循环作用，确保每一个高功率脉冲都能使等离子体负载发生电离成功溅射粒子靶材成功发生溅射，提高溅射成功率。

在上述方案中，所述对等离子体负载加载负极性高压短脉冲，高压短脉冲电压幅值一般为高功率负极性低压主脉冲电压幅值的3倍以上，负极性高压短脉冲宽度小于等于10微秒，根据溅射靶材和等离子体气体的不同可以调节负极性高压短脉冲的宽度和电压幅值，可以降低磁控溅射装置内气体的工作气压，实现低气压溅射镀膜，有利于提高粒子的沉积速率和减小薄膜表面粗糙度。

在上述方案中，新型等离子体溅射镀膜装置采用负极性高压短脉冲对等离子体预电离的方法，提高了高功率双极性主脉冲的占空比，有利于缩小溅射镀膜电源的体积、调高工作效率，用于解决电源体积较大、效率较低问题。