[发明专利]具有用于磁控溅射的脉冲和离子通量控制的脉冲功率模块

说明书

本文中描述电功率脉冲发生器系统和该系统的操作方法。主能量储存电容器供应负DC功率，突跳能量储存电容器供应正DC功率。主脉冲功率晶体管介于主能量储存电容器与输出脉冲轨之间并包括用于控制从主能量储存电容器到输出脉冲轨的功率传送的主功率传送控制输入。正突跳脉冲功率晶体管介于突跳能量储存电容器与输出脉冲轨之间并包括用于控制从突跳能量储存电容器到输出脉冲轨的功率传送的突跳功率传送控制输入。正突跳脉冲功率晶体管控制线连接到正突跳脉冲晶体管的突跳功率传送控制输入。

对相关申请的交叉引用

本申请是2017年6月12日提交的、名称为“具有用于磁控溅射的脉冲和离子通量控制的脉冲功率模块”的美国临时申请序列No.62/518,362的非临时申请，其全部内容(包括其中的任何参考文献)在此通过引用明确并入本文。

技术领域

本公开内容总体上涉及用于驱动等离子体溅射硬件以进行薄膜沉积的脉冲功率系统，更具体地，涉及高功率脉冲磁控溅射，其中生成具有能量控制的导引离子通量以进行混合沉积/刻蚀和表面处理。

背景技术

溅射涂层是物理气相沉积过程，由此原子从标靶源传送到拟涂层的基质。离子在电等离子体放电腔中生成，其中在两个电极之间施加电压，使得电子沿一个方向(朝向具有正电势的电极)加速，正离子沿与电子相反的方向运送。通过E×B漂移运动使用封闭漂移霍尔轨道的磁限制可用于提供高离子化概率和低电子移动性以增大朝向标靶电极的离子电流以增强溅射。使用磁限制的所述过程的相对较高的离子化效率允许使用低功率水平，而同时以良好沉积率实现适当的功率密度，而不需要转变为弧状放电。标靶加热和熔化的功率限制仍然适用。

高功率脉冲磁控溅射是DC溅射的脉冲必然结果，其中，高得多的瞬时电流(10-1000倍于DC溅射电流)以对应的较低占空因数在标靶上方驱动以保持接近恒定的平均功率。结果：(1)等离子体密度高几个数量级，(2)存在从载体气体主导的溅射(即Ar+)向金属气体主导的溅射(例如Cu+)的转变，(3)呈现溅射中性物质的更高的离子化比例，这是因为它们越过更密的磁限制等离子体区。

尽管DC溅射可实现1-3％范围内的离子化比例，不过传统HIPIMS可例行实现10-30％比例的离子到达基质。溅射中性原子将具有几eV的能量(因背景气体碰撞而劣化)，而离子将具有典型地为10-30eV的、至基质的鞘势能降低，形成改进的局部加热和密化。HiPIMS膜比DC溅射更致密并呈现出更好的粘接性能；不过，HiPIMS技术先前实现比DC溅射更低的沉积率(20-80％)，并对于多种材料呈现出比DC溅射更高的膜应力。较低的沉积率归因于“返回效应”，在该效应中，溅射原子在稠密等离子体限制层中重新离子化并再循环到标靶进行另外的溅射。

对于反应性溅射应用，先前的溅射系统使用AC操作以驱动溅射，其中两个溅射枪相互交替，以允许来自一个单元的电子返回电流清理另一单元上的表面电荷。由于两个电极相对于接地真空腔悬浮并且在任意时间仅一个电极在主动溅射，因此AC操作模式是复杂的。增大的系统复杂度和电极的不连续使用增大了AC模式系统的资金成本，反向电子电流在溅射标靶中生成额外热量而降低了产量。

拟传送到基质的标靶材料可在广义上分为以下三组：易于溅射金属、难以溅射金属和介电材料——对于这三组中的每组具有惰性和反应性气体混合物。这些材料组中的每组需要不同溅射电压、工作气体压力和脉冲条件。结果，许多电源不能为所有三种上述操作模式(即，RF溅射、脉冲DC、传统DC/AC溅射)实现操作条件。

另外，对于绝缘基质，例如卷对卷聚合物材料(例如PET或LDPE或尼龙)，使用HiPIMS是非常困难的，这是因为，瞬时高电流脉冲使得(能够在常规DC溅射中保持的)传统RF基质偏置不堪重负。

发明内容

在此描述一种电功率脉冲发生器系统。所述系统包括：主能量储存电容器，其被配置为供应负DC功率；突跳能量储存电容器，其被配置为供应正DC功率。所述系统进一步包括输出脉冲轨。