动态反向脉冲(DRP)实验

动态反向脉冲 ——占空比

作者：Gayatri Rane，AE Customer Solutions Lab

在之前的《实践出真知，实验领创新》推文中，我们探讨了与传统的双极脉冲(BP)双磁控溅射相比，动态反向脉冲(DRP)模式可将基底热负荷降低约12%，从而为SiO2的反应溅射提供多项利处，同时可使沉积速率提高10%。DRP模式可减半处理每个磁控管上施加的功率，并与显式阳极共享脉冲，完全不同于双极模式中两个靶标以50/50占空比交替作为阴极和阳极(图1)的方式。DRP模式保持高占空比，从而使得阳极上的极性仅在短时间内反转，约5%至30%足以充分释放靶电荷积聚。

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图1：动态反向脉冲与双极脉冲模式

研究表明，等离子体对外扩散越少，对外发热量就减少，磁场对电子运动和等离子体的约束可以带来这样的影响。在双极脉冲模式(靶标交替作为阳极和阴极)中，阳极具有磁性，从而使得电子被磁屏蔽，并且只能沿着磁力线到达阳极。因此，从阴极发射的二次电子集中在阴极附近，从而增加基底前端的等离子体密度。相反，在动态反向脉冲模式下，没有磁场的阳极与靶的磁力线相交，将会有效地收集电子，不会使它们损失到等离子体中，从而不会对基底加热产生影响1。

关于动态反向脉冲模式，占空比和阳极的角色是一个非常有意思的话题。我们研究了不同占空比对工艺和薄膜性能的影响。我们在具有双旋转靶之间设置了阳极的工业桶状镀膜机中进行了测试(如图2所示)。

实验设置

使用两个同步的Advanced Energy AscentSMS/DMS AP电源装置(每侧运行功率为6 kW(即总计12 kW)，脉冲频率为80 kHz)，在Ar/O2环境中用Si靶沉积200 nm SiO2 膜，其中，采用80/20、70/30、60/40和50/50的占空比(即阴极/阳极的接通时间)。

图3：(上)电压调节模式(适用于不同占空比下具有DRP配置的Si反应溅射)下获得的磁滞曲线。(下)DRP模式下具有不同占空比的薄膜沉积的放电电压/电流。

图3(上)显示在不同占空比下通过电压调节获得的磁滞曲线。减少阴极上的导通时间即发生向更高电压(更低电流)的磁滞曲线偏移。有益的是，需要较低的氧气流来实现曲线中的等效工艺条件(使用箭头指示过渡区域中80%的位置)。在这些等效工作点沉积的薄膜产生相似的折射率和组成。但是，随着占空比的降低，功率常态化动态沉积速率降低(7%)，基底热负荷增加(3%)(如图4所示)。

图4 ：作为动态反向脉冲占空比函数的200nm SiO2膜性质

请注意：与双极脉冲模式相比，DRP50模式下的热负荷较低，而动态沉积速率较高(如我们先前的推文中所讨论的)。但是，随着占空比降低，薄膜变得更光滑，表面粗糙度变平并变大(如图5 AFM图像所示)。

图5 ：动态反向脉冲模式中以不同占空比沉积的SiO2膜的AFM图像(顶部为拉伸z尺度，底部为非扭曲z尺度)。

总而言之，相关实验证明改变占空比可以让工艺工程师优化沉积条件和薄膜性能。

如您需进一步了解DRP模式的过程或了解更多有趣的测试和结果，请继续关注我们！后续，我们将在发布的推文中讨论阳极相关的话题。

　　审核编辑：汤梓红