СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ МОЩНОСТИ
METHOD FOR PROVIDING SUCCESSIVE POWER PULSES

Данное изобретение относится к способу создания импульсов мощности.
Такие импульсы мощности необходимы, например, в рамках технологии HIPIMS. HIPIMS является сокращением для High Power Impulse Magnetron Sputtering (напыление с помощью создаваемых магнетроном импульсов большой мощности). При этом речь идет о способе вакуумного покрытия, в котором с помощью очень высоких разрядных токов распыляется материал катода, за счет чего гарантируется, что распыленный материал сильно ионизируется положительно. Если одновременно прикладывать к подлежащей покрытию подложке отрицательное напряжение, то это приводит к тому, что возникающие за счет распыления положительные ионы ускоряются в направлении подложки и тем самым приводят к образованию плотного слоя. При этом используются мощности, например, от 40 кВт и более. Однако лишь в рамках очень короткого импульса мощности можно распылять материал с катода, поскольку он при более длительном воздействии проводимости может быть поврежден за счет перегрева. Таким образом, длительность, в течение которой можно с помощью высокой мощности распылять материал с катода, ограничена, что задает максимально допустимую длительность импульса.
Идея решения этой проблемы состоит в разделении всего катода на частичные катоды и подачи мощности последовательно на частичные катоды. Под этим понимается, что в устройстве для нанесения покрытия предусмотрено несколько изолированных друг от друга катодов (называемых в настоящем документе частичными катодами), так что локально ограниченно могут возникать высокие разрядные токи. Описание возможной реализации этой идеи приведено в заявке на патент Германии DE102011018363.
Во время воздействия на частичный катод импульса мощности с этого катода происходит распыление с высокой плотностью разрядного тока. Одновременно могут охлаждаться другие частичные катоды, прежде чем на них снова воздействует импульс мощности.
Однако заявителями было установлено, что сама длительность импульса оказывает большое влияние на свойства созданного с помощью магнетронного распыления слоя. Поэтому необходимы генераторы, которые способны выдавать как очень короткие, так и относительно длинные импульсы мощности.
Генераторы поставляют, как правило, надежно стабильное напряжение при неизменном токе. По-английски они называются power supply, что в переводе означает примерно снабжение мощностью. Ситуация усложняется, когда, как указывалось выше, необходимо создавать короткие импульсы мощности. При подключении источника, который должен отдавать мощность, например, 40 кВт, до отдачи полной мощности с помощью обычных источников напряжения проходит порядка 700 мкс. Если, как в данном случае, требуются импульсы мощности с более короткой длительностью импульсов, то имеющееся в распоряжении время заканчивается уже перед полным нарастанием мощности. Профиль мощности таких импульсов является, соответственно, не контролируемо динамичным, и основанный на них способ распыления приводит к образованию плохо воспроизводимых и не оптимальных по своим свойствам слоев.
Поэтому с помощью способа, согласно данному изобретению, должна быть создана возможность получения простым образом импульсов мощности с заданным профилем, при этом должна обеспечиваться возможность линейного изменения длительности импульсов мощности простым образом в широких пределах.
Задача решается согласно изобретению тем, что соотнесенные с первым частичным катодом интервалы импульсов мощности немного перекрываются во времени с соотнесенными со вторым частичным катодом интервалами импульсов мощности, что при переводе мощности с первого частичного катода на второй частичный катод, поставляющий мощность генератор не должен выключаться, и отбор мощности из генератора происходит непрерывно, и тем самым нет необходимости в новом нарастании мощности. В течение времени перекрытия обоих интервалов импульсов мощности плазма горит лишь у первого частичного катода, поскольку его полное сопротивление является значительно меньшим по сравнению с полным сопротивлением еще не зажженного второго частичного катода. Лишь когда в конце первого интервала импульсов мощности первый частичный катод отделяется от генератора, то зажигается плазма у второго частичного катода, однако при этом так быстро, что происходит по существу непрерывный отбор мощности из генератора. Если имеется третий частичный катод, то обеспечивается возможность небольшого перекрытия соотнесенного с третьим частичным катодом интервала импульсов мощности с соотнесенным со вторым частичным катодом интервалом импульсов мощности, так что снова при переводе мощности со второго частичного катода на третий частичный катод не происходит прерывания отбора мощности. В целом обеспечивается, что соотнесенный с n-м частичным катодом интервал импульсов мощности немного перекрывается с соотнесенным с (n-1)-м частичным катодом интервалом импульсов мощности, за счет чего при переводе мощности с (n-1)-го частичного катода на n-й частичный катод предотвращается прерывание отбора мощности из генератора. Лишь когда мощность переводится на последний частичный катод и выдан соотнесенный с этим последним частичным катодом импульс мощности, т.е. когда завершен цикл импульсов мощности, называемый в последующем группой, то прерывается отбор мощности из генератора. Последующая пауза отбора мощности используется для охлаждения частичных катодов, прежде чем на первый частичный катод снова подается соотнесенный с ним импульс мощности в соответствующем интервале.
Однако такой способ приводит к тому, что по меньшей мере подаваемый на первый частичный катод импульс мощности лежит в диапазоне времени нарастания мощности генератора, и соответствующий импульс мощности имеет соответствующий не желаемый профиль. Поэтому, согласно одному предпочтительному варианту выполнения данного изобретения, перед подачей мощности на первый частичный катод по меньшей мере в течение приблизительно интервала нарастания мощности подается мощность на так называемый фиктивный катод. Затем обеспечивается, что соотнесенный с первым частичным катодом интервал импульсов мощности немного перекрывается с интервалом нарастания мощности, за счет чего при переводе мощности с фиктивного катода на первый частичный катод предотвращается прерывание отбора мощности из генератора, и в рамках первого интервала импульсов мощности уже имеется в распоряжении по существу полная мощность. Указанный выше фиктивный катод может быть реализован, например, с помощью контура тока с активным сопротивлением, на котором падает соответствующее напряжение, и тем самым мощность преобразуется в тепло.
Как указывалось выше, интервал нарастания мощности может составлять порядка 700 мкс. Отдаваемая во время этого интервала генератором на фиктивный катод мощность не используется для процесса распыления, т.е. теряется и представляет потери. Это не создает проблем в том случае, когда цикл импульсов мощности, т.е. групповой интервал, является большим по сравнению с интервалом нарастания мощности, и тем самым потеря мощности составляет лишь небольшой процент. Однако это создает проблемы, когда интервалы импульсов мощности становятся настолько небольшими, что интервал нарастания мощности становится сравнимым с групповым интервалом. В таком случае происходит значительная и тем самым неприемлемая потеря мощности.
Это можно предотвратить с помощью другого предпочтительного варианта выполнения данного изобретения. А именно, заявителями было установлено, что как раз при коротких интервалах импульсов мощности еще совсем нет необходимости в охлаждении частичных катодов. В этом случае к первому циклу импульсов большой мощности примыкает второй цикл импульсов мощности. При этом обеспечивается, что первый интервал второго цикла импульсов мощности (т.е. второй группы) слегка перекрывается с последним интервалом импульсов мощности первого цикла импульсов мощности первой группы, так что перевод мощности с последнего частичного катода на первый частичный катод возможен без прерывания отбора мощности из генератора. Таким образом, для второй группы исключается интервал нарастания мощности и связанная с отводом мощности на фиктивный катод потеря мощности. Можно соответствующим образом располагать в ряд друг за другом столько групп, пока возникающее в частичных катодах выделение тепла не приводит к необходимости действительного прерывания подачи мощности. В такой последовательности групп лишь один раз в начале последовательности необходимо направлять мощность во время интервала нарастания мощности на фиктивный катод.
Ниже приводится более подробное пояснение изобретения на основании примеров технологии распыления.
В поясняемых ниже примерах применяются следующие сокращения:
Pavg - средняя мощность распыления
Pmax - максимальная мощность распыления (мощность в импульсе)
tpn - длина импульса
tdn - задержка импульса
N - количество групп (N=0…500)
n - номер канала (количество частичных катодов, n=0…6, n=0 соответствует фиктивному катоду)
fr - частота повторения
tr - период повторения = 1/fr.
Для предотвращения перегрева катода принимается, что внутри последовательности импульсов общее время, в течение которого на один частичный катод подается мощность, должно быть меньше 100 мс:
(tpn-tdn)*N<100 мс = Tmax.
Пример 1
В рамках первого примера на фиктивный катод в течение 0,5 мс подается мощность, т.е. интервал потерь tp0 составляет 0,5 мс и тем самым надежно охватывает интервал нарастания мощности, равный примерно 0,25 мс. Дополнительно к фиктивному катоду применяются 6 частичных катодов. Интервалы импульсов мощности, во время которых в одной группе мощность подается на один частичный катод, задаются равными tp1-6=0,2 мс, а перекрытие интервалов импульсов мощности задается равным td1-6=0,02 мс. В целом выполняются 10 циклов импульсов мощности, т.е. 10 групп образуют вместе с интервалом потерь одну последовательность. Таким образом, интервал всей последовательности составляет 10*6(0,2 мс-0,02 мс)+0,5 мс = 10,8 мс+0,5 мс = 11,3 мс.
Таким образом, интервал потерь, равный 0,5 мс, соотносится с применяемым для покрытия временем отдачи мощности, равным 10,8 мс. Тем самым по сравнению с потерей мощности на фиктивном катоде используется в более чем 20 раз превышающая мощность для целей покрытия.
Если во время интервала импульса мощности к одному частичному катоду прикладывается мощность 40 кВт и задана средняя мощность распыления 5 кВт на каждом частичном катоде, то интервал всей последовательности необходимо повторять с частотой 69,4 Гц, поскольку
(tpn-tdn)*N*Pmax*fr=0,18мс*10*40кВт*69,4 Гц=5 кВт.
Этому соответствует средняя потеря мощности на фиктивном катоде максимально 0,5мс*40кВт*69,4 Гц=1,39 кВт. Частота повторения 69,4 Гц соответствует длительности повторения 14,4 мс. При длительности интервала всей последовательности 11,3 мс это означает, что между последовательностями необходима пауза в 3,1 мс.
Пример 2
В рамках второго примера интервал импульсов мощности уменьшается до 0,07 мс, а количество групп повышается до 100. Остальные параметры сохраняются. Таким образом, длительность интервала всей последовательности составляет 100*6(0,07 мс-0,02 мс)+0,5 мс=30 мс+0,5 мс=30,5 мс.
Таким образом, интервал потерь, равный 0,5 мс, соотносится с применяемым для покрытия временем отдачи мощности, равным 30 мс. Тем самым по сравнению с потерей мощности на фиктивном катоде используется в более чем 60 раз превышающая мощность для целей покрытия.
Если во время интервала импульса мощности к одному частичному катоду прикладывается мощность 40 кВт и задана средняя мощность распыления 5 кВт на каждом частичном катоде, то интервал всей последовательности необходимо повторять с частотой 25 Гц, поскольку
(tpn-tdn)*N*Pmax*fr=0,05мс*100*40кВт*25 Гц=5 кВт.
Этому соответствует средняя потеря мощности на фиктивном катоде максимально 0,5мс*40кВт*25 Гц=0,5 кВт. Частота повторения 25 Гц соответствует длительности повторения 40 мс. При длительности интервала всей последовательности 30,5 мс это означает, что между двумя последовательностями необходима пауза в 9,5 мс.
Пример 3
В рамках третьего примера интервал импульсов мощности уменьшается до 0,05 мс, а количество групп повышается до 1000. Остальные параметры сохраняются. Таким образом, длительность интервала всей последовательности составляет 1000*6(0,05 мс-0,02 мс)+0,5 мс=180 мс+0,5 мс=180,5 мс.
Таким образом, интервал потерь, равный 0,5 мс, соотносится с применяемым для покрытия временем отдачи мощности, равным 180 мс. Тем самым по сравнению с потерей мощности на фиктивном катоде используется в более чем 360 раз превышающая мощность для целей покрытия.
Если во время интервала импульса мощности к одному частичному катоду прикладывается мощность 60 кВт и задана средняя мощность распыления 5 кВт на каждом частичном катоде, то интервал всей последовательности необходимо повторять с частотой 2,7 Гц, поскольку
(tpn-tdn)*N*Pmax*fr=0,03мс*1000*60кВт*2,7 Гц=4,86 кВт.
Этому соответствует средняя потеря мощности на фиктивном катоде максимально 0,5мс*60кВт*2,7 Гц=81 Вт. Частота повторения 2,7 Гц соответствует длительности повторения 360 мс. При длительности интервала всей последовательности 180,5 мс это означает, что между двумя последовательностями необходима пауза в 179,5 мс.
Пример 4
В рамках четвертого примера интервал импульсов мощности 0,05 мс и количество групп 1000 сохраняются, также как остальные параметры. Таким образом, длительность интервала всей последовательности составляет 1000*6(0,05 мс-0,02 мс)+0,5 мс=180 мс+0,5 мс=180,5 мс.
Таким образом, интервал потерь, равный 0,5 мс, соотносится с применяемым для покрытия временем отдачи мощности, равным 180 мс. Тем самым по сравнению с потерей мощности на фиктивном катоде используется в более чем 360 раз превышающая мощность для целей покрытия.
Если во время интервала импульса мощности к одному частичному катоду прикладывается не как в примере 3 мощность 60 кВт, а лишь 33 кВт, и задана средняя мощность распыления 5 кВт на каждом частичном катоде, то интервал всей последовательности необходимо повторять с частотой 5,05 Гц, поскольку
(tpn-tdn)*N*Pmax*fr=0,03мс*1000*33кВт*5,05 Гц=5 кВт.
Этому соответствует средняя потеря мощности на фиктивном катоде максимально 0,5мс*33кВт*5,05 Гц=83 Вт. Частота повторения 5,05 Гц соответствует длительности повторения 198 мс. При длительности интервала всей последовательности 180,5 мс это означает, что между двумя последовательностями необходима пауза в 17,5 мс.
Как следует из приведенных выше примеров, способ, согласно изобретению, позволяет просто изменять линейно длительность импульсов, высоту импульсов, частоту повторения импульсов, а также точный профиль импульсов при почти исчезающей малой потере мощности. Все величины, которые могут быть объединены под понятием линейно изменяемой характеристики импульса, оказывают при распылении и, в частности в рамках технологии HIPIMS, непосредственное влияние на свойства возникающих при этом слоев. Хотя в описании изобретения указано получение импульсов мощности в рамках технологии распыления, его можно предпочтительно применять везде там, где необходимо подавать сравнительно высокую импульсную мощность на нагрузку.
На фиг.1 показана соответствующая примерам ситуация как в виде единой последовательности, так и с разбивкой на интервал (0) потерь и интервалы (1-6) импульсов мощности на частичных катодах. При этом горизонтальная ось представляет время, а вертикальная ось соответствует отдаваемой генератором мощности, при этом в зонах перекрытия (например, td1) мощность должна разделяться между двумя нагрузками, что не изображено на фигуре. Однако на фигуре показаны лишь 3 группы.