射频电源有关问题

 

直流溅射是制取导体、半导体膜的有效方法，但是当靶材是绝缘体时，由于轰击到靶上的离子会使靶带正电荷，使靶表面的电位上升，结果使离子不能对靶继续进行轰击。交流溅射可以消除由离子引起的靶带电现象，该交流频率经理论计算约为10 MHz。有关计算“3如下。设靶的静电容为c，电位为y，向靶人射的电流为，，则经过血后，靶上积蓄的电量为△(Cy)，

△(CV)一IAt

式中，c——常量，与时间无关f∆t=C∆V／t。

若设c≈10¯12F，△V≈1000 V，I≈10¯2A，则

△t=C△y／I≈10¯7s

则，f=1／∆t=107 Hz=10 MHz

式中，f——交流频率。

该频率处于射频频段，现在的射频电源频率都是13．56 MHz(27．12 MHz或loo MHz)。射频溅射是制取绝缘体(SiO：)膜的有效方法，1 966年IBM首先采用射频溅射镀制SiO：膜。虽然中频电源不断发展，但在真空镀膜行业，由于射频溅射得到的SiO：膜层性能稳定可靠，至今仍然有部分企业使用射频电源镀制SiO：膜。射频溅射装置的重点在于靶和匹配同路。靶要绝缘，也要水冷。由于实际的靶系统的冷却水连接着靶(阴极)和真空腔体(阳极)，冷却水的绝缘电阻要足够大，即要保证冷却水管有一定的长度。一般情况下，靶的冷却水管约为10m。靶要安

装屏蔽罩(阳极罩)。由于靶的边缘溅射…，以合适的阳极罩和合适的尺寸安装，能控制边缘溅射在合适的范围。在阐述匹配回路之前，先计算说明，当电阻R=r时，负载兄吸收的能量最大，

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图l进行计算的电路示意图

 

Fig 1 Schematic of circuit to calculate

P—U2R／(尺+r)2

U——电源电压

尺——负载电阻(阻抗)

r——电源的内阻(阻抗)

P——R上得到的功

P'= ([U2(R+r）2)2—2U2(R+r）/（R+r）2

P'——P的导数

为了求出P最大值，令P'=o，求得R

射频电源的输出阻抗通常与输出电缆的特征阻抗相同，即50El。射频溅射设备负载(靶)的阻示为

Z=R+jx

 

式中，R为负载阻抗的实数部分，通常为几n；X为负载阻抗的虚数部分，以负数较多，即容性负载较多。要使负载与电缆的特性阻抗相匹配，就需要加匹配网络，使得电源的输出功率全部加到负载上，而无反射功率或反射功率很小。如图2所示。

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图2匹配啊络

Fig .2 Schematic of network matching

 

在实际应用中，常常会出现反射功率大和打火现象。下面分别叙述这两个问题。

 

1、反射功率问题

在射频系统中，反射功率都要控制在一定的范围内。如果反射功率偏大，射频电源的效率会降低，更严重的是，会使射频电源发热，降低电源的使用寿命，甚至损坏射频电源。反射功率偏大，还会使射频辐射增大，干扰其它仪表。一般，设计比较好的射频溅射电源系统都能较好地匹配，使反射功率较小。但是对于某些溅射系统，在匹配网络一定时，当溅射靶源的阻抗小于一定值时，就不能很好地匹配。例如，如围3所示的射频系统，匹配器阻抗的匹配范围为

(2.7—45)Ω—j(0—70)Ω）2（2J，而靶系统实际的阻抗值有时可能低于匹配范围的下限值2.7Ω，这样就有可能在匹配极限时，也不能使系统的反射功率很小。在实际中，如果系统是不可更改的，只有改进匹配器的网络参数。

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图3射顿系统示意图

Fig．3 Schematic酣

 

可以通过以下两种方法更改匹配器网络参数：①可以在图2的并联电容处并联电容，对电容

的要求为100～200 pF．耐压15 kV以上，可以并联l～3个电容；

②也可以增加或减小电感，例如短接电感的一圈或半圈。作者所在公司通过以上方法．较好地解决了反射功率问题，最大反射功率由300 W左右降到30～50 w，甚至更小。

 

2、打火问题

 

打火问题是射频系统不可避免的，图4和图5给出射频靶比较严重的打火现象。通过合理的靶系统设计及改进，可以将打火频次和幅度降到一定的范围。影响打火的主要因素为：①靶系统问题，具体就是靶和阳极罩之间的间隙大小的确定；②靶系统零部件的尖端放电。

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图4改进前靶边缘打火情况(潮射407．3h)

F／g4 Flash arc at

target edge before improvement(sputtering timel 407．3）

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图5改进前阳擐覃边缘打火情况(溅射407．3h)

Fig 5 Flash arc at shield coyer edge before improvement

(sputtering timei407：3hr）

 

对于靶和阳极罩之间的理论间距，可以通过下面的公式来获得：

 

R=mV／qB

式中

R——电子的旋转半径

m——电子质量

y——阴极电压

q——电子电量

B——靶表面磁场强度

通过计算，可以确定靶和阳极罩的间隙(小于2R)，如果再辅以试验，找到最佳值，就可以有效地避免打火。对于尖端放电而引起的打火，可以通过设法消除有关部位的尖端而避免打火。通常可以采用的方法是用油石打磨相关部位，去除毛刺，实践证明这一方法效果明显。作者所在公司的射频电源系统，经过以上处理，现在不打火。参见图6和图7。

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                            图6  改进后溅射后的靶边缘(戤射416．7 h)

            Fig 6Edgeof sputtered target after improvement(sputtering time：416.7hr)

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