펄스 마그네트론 스퍼터링의 작동 원리 및 모드

펄스 마그네트론 스퍼터링은 마그네트론 스퍼터링 증착을위한 종래의 DC 전원 공급 장치 대신 직사각형 파 전압을 갖는 펄스 전원 공급 장치를 사용합니다. 펄스 마그네트론 스퍼터링 기술은 아크 생성을 효과적으로 억제 할 수 있으며 결과적인 코팅 결함을 제거 할 수 있습니다. 동시에, 이는 스퍼터링 증착 속도를 증가시키고 증착 온도를 감소시킬 수있다.

펄스는 양방향 펄스와 단 향성 펄스로 나눌 수 있습니다 (그림 1 참조). 양방향 펄스는 양의 전압과 음의 전압의 두 단계로 구성됩니다. 네가티브 전압 세그먼트에서, 파워 서플라이는 타겟 스퍼터링을 위해 작동한다. 그리고 양의 전압 세그먼트에서 전자는 목표 표면에 축적되는 양전하를 중성화하기 위해 도입되어 표면을 깨끗하게하여 금속 표면을 노출시킵니다. 타겟에인가되는 펄스 전압은 일반적인 마그네트론 스퍼터링 (400-500V)과 동일합니다. 펄스 마그네트론 스퍼터링은 일반적으로 구형파 펄스 파형을 사용합니다. 중간 주파수 대역 (20-200 kHz)에서 비정상적인 아크 방전을 효과적으로 제거 할 수 있으며 목표물이 독살되지 않고 아크가 발생하지 않도록 목표 방전 시간을 제어 한 다음 목표 전압을 차단하거나 대상을 적극적으로 만듭니다 청구 됨. 플라즈마 속의 전자의 속도가 이온의 속도보다 훨씬 빠르기 때문에, 일반적으로 변환 된 양의 목표 전압은 음의 바이어스의 10 % ~ 20 %만을 필요로하며, 아크 방전을 방지 할 수 있습니다. 펄스 폭 (양과 음의 전압 비)이 중요한 역할을한다고 여겨지므로 1 : 1의 펄스 폭이 가장 좋은 억제 효과를냅니다. 양의 전압은 아크 방전의 발생 여부에 큰 영향을 미치지 않지만 증착 속도에 큰 영향을 미친다. 양의 전압이 10 %에서 20 % (음의 전압에 대한 비율)로 증가하면 증착 속도가 50 % 증가합니다.

펄스 마그네트론 스퍼터링의 일 원리

그림 1 (a) 단방향 펄스 (b) 양방향 펄스

양방향 펄스는 그림 2와 같이 듀얼 타겟 폐쇄 형 불평형 마그네트론 스퍼터링 시스템에 더 자주 사용되며 두 개의 마그네트론 타깃은 MF 트윈 타깃과 유사하게 시스템의 동일한 펄스 전원에 연결되며 두 개의 타깃은 음극으로 교대로 작동합니다 애노드는 캐소드 타겟이 스퍼터링 될 때 애노드 타겟이 표면 클리닝을 완료하므로 마그네트론 타겟의 극성을 주기적으로 변화 시키면 "자기 청소"효과가 발생합니다.

펄스 마그네트론 스퍼터링의 주된 파라미터는 스퍼터링 전압, 펄스 주파수 및 듀티 비를 포함한다. 플라즈마 내의 전자는 이온에 비해 더 높은 운동성을 갖기 때문에, 양의 전압 값은 목표 표면에 축적 된 양전하를 효과적으로 중화하기 위해 음의 전압 값의 10 % 내지 20 %만이 필요하다. 펄스 주파수는 보통 중간 주파수 범위에 있습니다. 낮은 주파수 한계는 표적 표면상의 축적 된 전하에 의한 전계 강도의 형성을 보장하는 파괴 전계 강도보다 낮은 임계 값에 의해 결정된다. 그리고 상한은 증착 속도에 의해 결정됩니다. 일반적으로 안정된 방전을 전제로 낮은 주파수가 제안된다. 듀티 사이클의 경우 목표 표면에 축적 된 전하를 스퍼터링 중 양의 전압 단계에서 완전히 중화 할 수 있으므로 최대 전원 효율을 달성하려면 듀티 사이클을 가능한 한 증가시켜야합니다.

그림 2 트윈 타겟 양방향 펄스 마그네트론 스퍼터링의 개략도

새로운 개발이있어 기판에 펄스 바이어스를 적용합니다. 펄스 바이어스는 기판상의 이온빔 전류를 크게 증가시킬 수있다. 마그네트론 스퍼터링에서, 일반적으로 DC 음 바이어스는 -100V에인가되고, 기판 이온 빔은 포화된다. 음의 바이어스를 증가 시키더라도 기판 이온빔 전류는 증가하지 않는다. 이 포화 전류는 일반적으로 이온빔 전류로 간주됩니다. 그리고 전자는 기판 표면에 접근 할 수 없습니다. 그러나 펄스 바이어스의 사용은 이러한 부족을 극복 할 수 있으며, 펄스 바이어스는 기판의 포화 전류를 향상시킬 수있을뿐만 아니라 음의 바이어스 전압이 증가함에 따라 포화 전류를 증가시키는 것으로 나타났다. 펄스 주파수가 증가하면이 효과가 더 중요합니다. 기판 펄스 음의 바이어스는 기판의 전류 밀도를 효과적으로 제어하는 새로운 방법을 제공합니다. 이 효과는 막 구조 및 접착을 최적화하고 스퍼터링 세정 및 기판 가열 시간을 단축 시키는데 적용될 수있다.