パルスマグネトロンスパッタリングの原理と動作原理

- Jun 09, 2018-


パルスマグネトロンスパッタリングは、マグネトロンスパッタリング堆積のための従来のDC電源の代わりに矩形波電圧を有するパルス電源を使用する。 パルスマグネトロンスパッタリング技術は、アークの発生を効果的に抑制し、結果として生じるコーティング欠陥を排除することができる。 同時に、スパッタリング堆積速度を増加させ、堆積温度を低下させることができる。

 

パルスは、双方向パルスと単方向パルスに分けられます(図1参照)。 双方向パルスは、正の電圧と負の電圧の2つの位相を1サイクルに有する。 負の電圧セグメントでは、電源はターゲットのスパッタリングのために働く。 そして正の電圧セグメントでは、電子が導入されて、ターゲット表面に蓄積する正電荷を中和し、表面を清浄にして金属表面を露出させる。 ターゲットに印加するパルス電圧は、一般的なマグネトロンスパッタリング(400〜500V)と同じです。 パルスマグネトロンスパッタリングは、通常方形波パルス波形を使用する。 中周波帯(20〜200kHz)で異常放電を効果的に排除し、被毒されずにアークが発生しないように目標放電時間を制御した後、目標電圧を遮断するか、充電される。 プラズマ中の電子の速度はイオンの速度よりもはるかに高いため、ターゲットの正の電圧を変換するには負バイアスの10%から20%しか必要とせず、アーク放電を防止することができる。 パルス幅(正と負の比)が重要な役割を果たしていると考えられ、1:1のパルス幅が最も効果的です。 正の電圧は、アーク放電が起こるかどうかに大きな影響を与えないが、堆積速度に大きく影響する。 正の電圧が10%から20%(負の電圧に対する比)に増加すると、堆積速度は50%増加する。

 

パルスマグネトロンスパッタリングの仕事原理


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図1(a)単方向パルス(b)双方向パルス

 

双方向パルスは、図2に示すように、デュアルターゲット閉じた不平衡マグネトロンスパッタリングシステムでより頻繁に使用され、2つのマグネトロンターゲットは、MFツインターゲットと同様に、システム内の同じパルス電源に接続され、陰極ターゲットがスパッタされると、陽極ターゲットが表面クリーニングを完了するので、マグネトロンターゲットの極性を周期的に変化させることによって、「自己クリーニング」効果が生じる。

 

パルスマグネトロンスパッタリングの主なパラメータは、スパッタリング電圧、パルス周波数およびデューティ比を含む。 プラズマ中の電子はイオンと比較して高い運動性を有するので、正の電圧値は、負の電圧値の10%から20%しか必要とせず、ターゲット表面に蓄積された正電荷を効果的に中和する。 パルス周波数は通常中間周波数範囲にあります。 より低い周波数限界は、ターゲット表面上の蓄積された電荷による電界強度の形成を確実にする破壊電界強度よりも低い臨界値によって決定される。 そして、上限は堆積速度によって決定される。 一般に、安定した放電を確保することを前提として、低い周波数が提案されている。 デューティサイクルでは、ターゲット表面に蓄積された電荷をスパッタ中に正の電圧位相で完全に中和することができるという前提の下で、最大電力効率を達成するためにデューティサイクルをできるだけ増加させる必要がある。

 

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図2ツインターゲット双方向パルスマグネトロンスパッタリングの概略図

 

新しい開発が行われ、基板にパルスバイアスを印加します。 パルスバイアスは、基板上のイオンビーム電流を大きく増加させる可能性がある。 マグネトロンスパッタリングでは、DC負バイアスは一般に-100Vに印加され、基板イオンビームは飽和する。 負バイアスを増加させても基板イオンビーム電流は増加しない。 この飽和電流は、一般にイオンビーム電流と考えられる。 そして、電子は基板の表面に接近することができない。 しかしパルスバイアスの使用はこの不足を克服することができ、パルスバイアスは基板の飽和電流を改善するだけでなく、負のバイアス電圧が増加するにつれて飽和電流を増加させることが研究によって示されている。 パルス周波数が増加すると、この影響がより顕著になります。 基板パルス負バイアスは、基板の電流密度を効果的に制御する新しい方法を提供する。 この効果は、膜構造および密着性を最適化し、スパッタリング洗浄および基板加熱の時間を短縮するために適用することができる。