脉冲直流溅射频率是多少？控制绝缘膜的沉积稳定性

简而言之，脉冲直流溅射频率是指在沉积过程中直流电源开关的速率，通常以千赫兹（kHz）为单位测量。这项技术是标准直流溅射的关键演变，专门设计用于沉积绝缘或半绝缘薄膜——对于这项任务，简单的直流溅射由于一种称为电弧放电的现象而无效。脉冲的频率是控制等离子体稳定性和薄膜沉积速率的关键参数。

溅射绝缘材料的核心问题是靶材表面会积累正电荷，导致不受控制的电放电，即电弧。脉冲直流溅射通过周期性地中断电压来解决这个问题，使等离子体中的电子有时间中和这种电荷积累，从而防止电弧的形成。频率决定了这种中和发生的频率。

标准直流溅射是一种稳健且高速的工艺，但仅适用于金属等导电材料。其物理特性在处理绝缘体时存在固有的局限性。

在标准直流溅射中，高负直流电压施加到导电金属靶材上。来自等离子体的正离子（如氩离子）加速撞击靶材，溅射出材料。

由于靶材是导电的，它可以完成电路并耗散持续流入的正离子电荷，使工艺平稳且无限期地运行。

当您尝试溅射氧化物或氮化物等绝缘（介电）材料时，此过程就会中断。正离子仍然轰击靶材，但现在它们被困在其表面。

这种在靶材表面积累正电荷的现象通常被称为“靶材中毒”或“充电”。绝缘体，顾名思义，无法传导这些电荷。

随着这种正电荷岛的增长，局部电场变得异常强烈。最终，它变得足够强大，导致灾难性的击穿——一种剧烈、大电流的电放电，称为电弧。

电弧具有高度破坏性。它会损坏靶材，将大颗粒喷射到基板上（破坏薄膜），并使等离子体不稳定甚至熄灭，从而完全停止沉积过程。

脉冲直流溅射是专门为克服电弧问题而开发的。它将连续的直流信号修改为一系列精心控制的脉冲。

一个脉冲直流周期包括两个阶段：

脉冲导通时间：在此阶段（通常持续微秒），施加负电压，溅射发生，就像在标准直流工艺中一样。正电荷开始在靶材上积累。
脉冲关断时间（或反转）：然后电压被关闭，或者在更先进的系统中，短暂反转为小的正电位。这种短暂的中断允许等离子体中高度移动的电子涌向靶材表面，中和积累的正电荷。

这个循环每秒重复数千次，防止电荷积累到足以触发电弧的程度。

两个参数控制此过程：

频率和占空比共同决定了反转时间的持续时间——这是中和靶材的关键窗口。

频率的选择并非随意；它涉及平衡沉积速率与工艺稳定性。虽然脉冲直流是一种强大的解决方案，但它通常与射频溅射进行比较，射频溅射是沉积绝缘体的另一种主要方法。

较高频率可以在防止电弧的同时实现更短的“关断时间”。这很有益，因为它允许更高的占空比（更多时间用于溅射），从而产生更高的沉积速率。大多数现代用于Al₂O₃或TiN等化合物的反应溅射工艺都使用高频脉冲直流。

较低频率可用于不易发生严重电弧的材料或旧的电源设计中。它们通常需要较低的占空比（较长的“关断时间”）以确保完全的电荷中和，这会导致整体沉积速率较低。

射频（RF）溅射通过快速交替电压（通常为13.56 MHz）来避免充电。虽然对所有材料都有效，但其对反应溅射化合物的沉积速率通常显著低于现代高频脉冲直流系统所能达到的水平。然而，射频仍然是直接从高绝缘源靶材（例如，溅射石英靶材）进行溅射的黄金标准。

选择正确的溅射参数完全取决于您的材料和性能目标。

如果您的主要重点是最大化反应溅射的沉积速率（例如，形成Al₂O₃、TiO₂、Si₃N₄）：使用高频（100-350 kHz）脉冲直流电源，因为这允许您以高占空比运行以实现更快的薄膜生长，同时有效抑制电弧。
如果您在半绝缘化合物中遇到严重的电弧：从中频（例如，50-100 kHz）和保守的占空比（例如，80%）开始，以建立稳定的工艺，然后逐渐增加两者以优化速率。
如果您在化合物薄膜技术之间进行选择：对于反应工艺中的高沉积速率，优先选择脉冲直流；但如果您需要直接从块状绝缘靶材溅射，则选择射频溅射。

最终，频率是允许您精确控制电荷中和的关键拨盘，这对于绝缘薄膜的稳定、高质量沉积至关重要。

总结表：