什么是脉冲直流溅射？一种沉积绝缘薄膜的稳定解决方案

从本质上讲，脉冲直流溅射是一种先进的沉积技术，它以短促、受控的脉冲形式施加直流电压，而不是连续施加。该方法专门用于沉积高质量的绝缘或“介电”材料（如氧化物和氮化物）的薄膜，方法是防止在这些应用中困扰标准直流溅射的一种被称为电弧的灾难性电气问题。

标准直流溅射的核心问题在于，它在用于导电金属时效果极佳，但在用于绝缘材料时则会失效。脉冲直流溅射通过定期反转靶材上的电荷来解决这个问题，从而中和了本会导致破坏性电弧的电荷积聚。

基础知识：理解标准溅射

要理解为什么需要脉冲直流，我们必须首先了解标准溅射过程。这是一种在真空室内发生的物理气相沉积（PVD）方法。

该过程始于将基板（待涂覆的物体）和靶材（待沉积的材料）放入真空室中。将室内抽至极低压力，然后用少量受控的惰性气体（最常见的是氩气 (Ar)）重新充气。

对靶材施加一个强的负直流电压。这个高电压使周围的氩气电离，从氩原子中剥离电子，产生带正电的氩离子 (Ar+) 和自由电子的混合物，即等离子体。

带正电的氩离子被强力加速射向带负电的靶材。它们以巨大的力量撞击靶材表面，传递动量并将靶材的单个原子“溅射”出来。

这些被溅射出的原子穿过真空室并落在基板上，逐个原子逐渐堆积，形成致密且均匀的薄膜。

上述标准直流溅射过程存在一个基本弱点，使其不适用于一大类重要材料。

当靶材是导体（如钛或铝）时，撞击的氩离子产生的正电荷会立即被导走。

然而，如果靶材是电绝缘体（如二氧化硅或氧化铝），它就无法导电。氩离子产生的正电荷会积聚在靶材表面，这种现象称为“靶材中毒”。

当这种正电荷积聚到极高水平时，它会突然并剧烈地放电到腔室内附近接地的表面。这个事件就是一个电弧，一次微小的闪电，可能会损坏或摧毁靶材，污染腔室，并毁坏正在沉积的薄膜。

脉冲直流溅射的开发正是为了解决沉积绝缘薄膜时出现的电弧问题。

专用的电源不是施加恒定的负电压，而是以快速的脉冲形式施加电压。一个典型的周期包括一个较长的负电压期（“开启时间”）和一个非常短暂的正电压期（“反转时间”或“关闭时间”）。

在主要的负脉冲期间，溅射过程与标准直流过程中的情况相同。

至关重要的是，在短暂的正向反转期间，靶材会带正电。这会吸引等离子体中高度活跃的电子，电子涌向靶材表面，并中和在溅射阶段积聚的正离子电荷。

这个循环每秒重复数千次。通过在表面电荷积累到临界水平之前不断对其进行中和，脉冲直流有效地防止了电弧。这使得无需工艺中断或损坏即可稳定、长期地沉积高质量的介电薄膜。

虽然这是一个强大的解决方案，但脉冲直流溅射并非没有需要考虑的因素。

由于靶材在短暂的正脉冲期间不会被溅射，因此总沉积速率略低于理论上使用连续直流溅射在导电靶材上可能达到的速率。

脉冲直流电源比简单的连续直流电源复杂得多，也昂贵得多。它们需要精确控制脉冲频率、占空比和反向电压。

脉冲频率和持续时间成为必须仔细优化的额外参数。找到正确的平衡是最大化沉积速率同时完全抑制任何电弧事件的关键。

选择溅射方法完全取决于您打算沉积的材料。

如果您的主要重点是沉积导电材料（如金属）： 标准直流磁控溅射几乎总是最高效、最快、最具成本效益的选择。
如果您的主要重点是沉积绝缘或半导体材料（如氧化物、氮化物或陶瓷）： 脉冲直流溅射是实现工业规模稳定工艺和高质量薄膜的行业标准解决方案。
如果您主要关注在研究环境中以最大的通用性沉积任何类型的材料： 射频 (RF) 溅射是绝缘靶材的经典替代方案，尽管它通常涉及更复杂的阻抗匹配，并且沉积速率通常低于脉冲直流。

最终，选择正确的沉积技术是使工具与靶材的特定电气特性相匹配。