工業(yè)裝置中的動(dòng)態(tài)反向脈沖：SiO2沉積案例分析

實(shí)踐才是真正的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)——這就是AE位于德國(guó)美因河畔卡爾斯泰因客戶解決方案實(shí)驗(yàn)室的做法。在生產(chǎn)裝置上第一手測(cè)試驗(yàn)證AE創(chuàng)新的設(shè)想，能夠幫助我們更好地滿足客戶的需求。憑借新型供電技術(shù)，Advanced Energy緊跟當(dāng)今磁控濺射需求的步伐，其中包括：快速增加的旋轉(zhuǎn)圓柱形靶的使用和日益增長(zhǎng)的敏感基片對(duì)熱負(fù)荷控制的需求。

可以理解，任何可能替代現(xiàn)有有效工藝的創(chuàng)新總是面臨各種質(zhì)疑。幾年前，AE引入動(dòng)態(tài)反向脈沖（DRP）模式，作為雙磁控管工藝傳統(tǒng)雙極（BP）模式的替代方案，用于絕緣材料（例如：SiO2）的反應(yīng)濺射。我們使用我們最先進(jìn)的客戶解決方案實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)BP模式來(lái)研究DRP的性能。

使用在線鍍膜機(jī)，以低功率密度進(jìn)行初始測(cè)試，結(jié)果顯示：在各靶上施加減半功率輸入P/2（最終加和與BP模式的總功率相同）時(shí)，與BP模式相比，襯底負(fù)荷較低，但沉積速率類似，這意味著每個(gè)端塊承受的功率負(fù)荷較低。

我們繼續(xù)對(duì)SiO2進(jìn)行沉積研究，研究中增加了單極（UP）濺射模式（圖1）。

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圖1：本試驗(yàn)使用不同供電模式（BP、DRP和UP）顯示等效的總供電功率等效配置，使用20kW/m的功率密度以及40kHz和80kHz脈沖頻率進(jìn)行測(cè)試。DRP和UP模式使用80%的占空比，使用兩種不同的反向電壓（Vrev=0 V和200 V）測(cè)試UP模式。

為了復(fù)現(xiàn)工業(yè)條件，我們?cè)趲в行D(zhuǎn)靶的工業(yè)鼓狀鍍膜機(jī)中以更高功率負(fù)載測(cè)試沉積（圖2）。該鍍膜機(jī)是特別定制的，可實(shí)現(xiàn)以最小的腔室調(diào)整完成不同功率模式的測(cè)試。因此，本質(zhì)上而言，可以實(shí)現(xiàn)各種工藝之間的可靠對(duì)比。

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圖2：工業(yè)鼓式鍍膜機(jī)（左）和工藝門(mén)（右），配備用于測(cè)試的雙旋轉(zhuǎn)靶筒和陽(yáng)極

使用12kW、40kHz和80kHz脈沖頻率的三種功率模式，對(duì)SiO2薄膜進(jìn)行沉積處理（詳見(jiàn)圖1）。我在2022年SVC Techcon上介紹了這些研究?？牲c(diǎn)此查閱相關(guān)詳細(xì)介紹記錄，要點(diǎn)概括如下（參見(jiàn)圖3）。

1

DRP和雙UP模式在工藝參數(shù)以及薄膜特性方面表現(xiàn)出許多相似之處。

2

與BP模式相比，使用DRP和雙UP模式，觀察到功率歸一化沉積速率提高大約10%，玻璃襯底溫度負(fù)荷減少大約12%。

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對(duì)比現(xiàn)有（1Hz）數(shù)據(jù)與PowerInsight高分辨率（高達(dá)10Hz）穩(wěn)定數(shù)據(jù)，以發(fā)現(xiàn)偏差、問(wèn)題和趨勢(shì)。

4

脈沖頻率從40kHz增加到80kHz，導(dǎo)致電弧速率出現(xiàn)大幅降低（符合預(yù)期）。在較高頻率下操作DRP，降低了薄膜表面粗糙度，這可能是電弧速率下降導(dǎo)致的。

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圖3 ：不同測(cè)試模式下功率歸一化動(dòng)態(tài)沉積速率、基片溫升、折射率和電弧速率的結(jié)果匯總

此外，我們還發(fā)現(xiàn)BP模式和DRP/UP模式（由于具有若干相似性，DRP和雙UP歸為一類）之間存在有差異的一些非顯著特征：

01

與BP模式相比，DRP/UP模式可在較低放電電壓下工作，并且需要較低的O/Ar氣流比，即可在類似的過(guò)渡區(qū)工作點(diǎn)下工作。

02

與BP DMS電流相比，在DRP/UP模式下，磁控管陽(yáng)極對(duì)每一側(cè)的放電電流幾乎減半。在DRP/UP模式下，總放電電流（兩側(cè)之和）高出約10%。

03

光學(xué)發(fā)射光譜（OES）顯示：DRP/UP模式之間的不同氣體種類（歸一化為Ar系）比率相似，但它們不同于BP模式。就BP模式而言，在等離子體中觀察到較高的O/Si比。當(dāng)DRP和BP模式產(chǎn)生相似的沉積速率時(shí)（即：在BP和DRP模式下，在不同工作點(diǎn)沉積），O/Ar和Si/Ar比率仍然不同。這表明不同模式之間存在等離子體特性固有差異。

04

與DRP/UP模式相比，BP模式下的OES記錄顯示：接近基片的等離子體強(qiáng)度更高。在BP模式下，等離子體向基片的進(jìn)一步擴(kuò)展受到基片移動(dòng)的影響，并導(dǎo)致線信號(hào)出現(xiàn)波動(dòng)。之后，這些擾動(dòng)也反映在BP模式下的輸出功率中，并可能根據(jù)波動(dòng)程度對(duì)工藝穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

全力以赴，不負(fù)所托

AE在薄膜沉積工藝上的研發(fā)從不懈怠，我們的客戶解決方案實(shí)驗(yàn)室更是集結(jié)了一支強(qiáng)大的AE“技術(shù)夢(mèng)之隊(duì)”，匯聚了AE眾多頂尖的研發(fā)人員、工程師和科學(xué)家們，配備了一流的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，AE旗下的頂流電源產(chǎn)品一應(yīng)俱全。助力客戶突破技術(shù)難點(diǎn)，與客戶共同解決所面臨的的各種電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。