直流磁控溅射电源的工作原理和工作方式

 直流磁控溅射电源是用矩形波电压的脉冲电源代替传统的DC电源进行磁控溅射沉积的一种方法。直流磁控溅射电源技术可以有效抑制电弧的产生，消除薄膜缺陷，同时可以提高溅射沉积速率，降低沉积温度。

脉冲可分为双向脉冲和单向脉冲。双向脉冲在一个周期内有正电压和负电压两个阶段。在负电压阶段，电源对靶的溅射起作用。在正电压阶段，引入电子以中和靶表面积累的正电荷，表面被清洗和曝光。施加在靶上的脉冲电压与一般磁控溅射相同(400 ~ 500 V)。直流磁控溅射电源通常采用方波脉冲波形，能有效消除中频范围(20 ~ 200 kHz)异常电弧放电的发生，控制靶材放电的时间，保证靶材不中毒，不出现电弧放电，进而断开靶材电压，甚至使靶材带正电。由于等离子体中的电子速度远高于离子速度，所以要改变的靶的正电压一般只需要负偏压的10% ~ 20%，就可以防止电弧放电。认为脉冲宽度(正负电压与时间之比)起关键作用，当脉冲宽度达到1：1时，抑制效果更好。正电压对电弧放电没有明显影响，但对沉积速率有很大影响。当正电压从10%提高到20%(负电压与正电压之比)时，沉积速率可提高50%。

双向脉冲更常用于双靶封闭非平衡磁控溅射系统。在该系统中，两个磁控靶连接到同一个脉冲电源，类似于中频双靶。两个靶交替充当阴极和阳极，阴极靶溅射的同时，阳极靶完成表面清洗，从而周期性地改变磁控管靶的极性，产生“自清洗”效果。

直流磁控溅射电源的主要参数包括溅射电压、脉冲频率和占空比。由于等离子体中的电子比离子具有更高的迁移率，正电压值只需要负电压值的10% ~ 20%，就能有效中和靶表面积累的正电荷。脉冲频率通常在中频范围内，频率下限通过保证目标表面积累电荷形成的场强低于击穿场强的临界值来确定。频率上限主要通过考虑沉积速率来确定。一般在保证稳定放电的前提下，频率尽量低。在保证正电压阶段能完全中和靶面上积累的电荷的前提下，尽可能提高占空比，以达到电源的更大效率。

另一个是对衬底施加脉冲偏压。脉冲偏压可以大大提高基片上的离子束电流。在直流磁控溅射电源中，当DC负偏压一般施加到- 100 V时，衬底离子束电流会达到饱和。增加负偏压不会增加衬底离子束电流。一般认为饱和电流是离子束电流，电子无法接近衬底表面。研究表明，脉冲偏压不仅可以提高衬底的饱和电流，而且随着负偏压的增大，饱和电流也增大。当脉冲频率增加时，效果更明显。其机理尚不清楚，可能与振荡电场产生等离子体的电离率和较高电子温度的影响有关。脉冲负偏压提供了一种有效控制基底电流密度的新方法，可用于优化薄膜结构和附着力，缩短溅射清洗和基底加热时间。