【導讀】隨著(zhù)薄膜產(chǎn)品對品質(zhì)和性能指標要求的增加，現代等離子體薄膜沉積工藝必須考慮到電弧不可避免的影響，并將盡可能減輕電弧導致的損壞。對于大多數等離子體工藝而言，識別、測量和限制打弧發(fā)生期間傳輸到等離子體內的能量大小一直是需要考慮的最重要因素之一。
本文列出了常見(jiàn)電弧事件的電氣特性，描述了可重復測得電弧能的方法，提供了一些利用先進(jìn)等離子體電源通用特性來(lái)減少電弧發(fā)生時(shí)傳輸到工藝中電弧能量的技術(shù)，并給出支持這些技術(shù)的實(shí)驗數據。
01. 簡(jiǎn)介
現代薄膜工藝工程師一直面臨在不犧牲薄膜品質(zhì)、性能和產(chǎn)率的前提下如何提高等離子體工藝產(chǎn)能的壓力。產(chǎn)出增大意味著(zhù)需要提高沉積速率或者增加沉積面積。這都意味著(zhù)要增加工藝功率。隨著(zhù)工藝功率的增加，電弧數量和每個(gè)電弧的能量也會(huì )增加。如Christie所示[1]，缺陷顆粒大小隨著(zhù)電弧能量增加而增加。這會(huì )導致缺陷不可控，并降低成膜的品質(zhì)、性能和產(chǎn)率。
如果能夠理解、測量和最大程度地降低電弧能，可以減輕那些易產(chǎn)生電弧的等離子體工藝所面臨的挑戰。本文列出常見(jiàn)電弧事件的電氣特性，說(shuō)明可重復測得電弧能的方法，列出使用先進(jìn)等離子體電源的通用功能降低電弧輸出能量的技術(shù)。在最后，將提供從旋轉雙陰極磁控管濺射室采集的實(shí)驗數據。
電弧剖析
等離子體工藝存在許多電弧產(chǎn)生機理。靶缺陷、絕緣材料介電擊穿以及陰極、陽(yáng)極、基片或屏蔽的異常對地短路是總多原因中的一些原因。發(fā)生電弧事件時(shí)，電弧發(fā)生點(diǎn)的局部阻抗急劇下降，工藝電流尋找最小阻抗路徑開(kāi)始流向電弧位置。
圖 1-電弧階段和電源響應
另外，該電流回路將會(huì )持續至局部阻抗/電流密度關(guān)系達到一個(gè)穩定狀態(tài)。處于打弧狀態(tài)的電弧會(huì )分流工藝能量，導致靶材，基片和其他工藝部件損壞。為了熄滅電弧，電源需要發(fā)揮作用。通常的有效方法是將電弧電流降至0安培，等待電弧位置冷卻。如圖1所示，典型電弧可以分為5個(gè)不同階段。電弧各階段都有不同的特征。以下簡(jiǎn)要說(shuō)明各階段。
電弧第1個(gè)階段的特征
階段I：初始電弧形成和阻抗變化
階段I開(kāi)始時(shí)，電弧位置的局部阻抗劇降，電源測量到的輸出阻抗下降。根據電源輸出阻抗的不同，電壓通常將跌落至燒弧電壓，在整個(gè)該階段，電流將增加。
電弧第2個(gè)階段的特征
階段II：電弧穩態(tài)條件
在階段II，電弧已經(jīng)接近穩態(tài)阻抗，弧將在穩態(tài)的電壓和電流下無(wú)限期 “燃燒”。如果不處理，在該階段進(jìn)入電弧的能量會(huì )損壞靶和基片。
電弧第3個(gè)階段的特征
階段III：電弧反應
在階段III，電源開(kāi)始響應電弧。采用先進(jìn)電弧處理技術(shù)的電源會(huì )關(guān)閉輸出，通過(guò)施加高反向電壓，主動(dòng)轉移工藝中的弧能。該反向電壓可更快地將電弧電流降為零，轉移電路中儲存的附加能量，通常是電纜中的能量。階段III持續，直至電弧電流降至低于可維持電弧的水平。
電弧第4個(gè)階段的特征
階段IV：關(guān)閉階段
在關(guān)閉階段，沒(méi)有附加能量被施加到工藝中。關(guān)閉階段需要足夠長(cháng)的時(shí)間，以確保兩個(gè)過(guò)程發(fā)生。首先，電弧位置的熱能需要逸散。其次，在反應過(guò)程中，電弧位置可能需要重新積累絕緣中毒層。
若關(guān)閉持續時(shí)間不當，重新施加工藝功率時(shí)，立即重新形成電弧的概率會(huì )明顯增加[2]。最佳關(guān)閉時(shí)間要足夠長(cháng)，一旦重新施加工藝功率，電弧通常將不再立即重新點(diǎn)燃。但關(guān)閉時(shí)間不要過(guò)長(cháng)，以至于影響工藝穩定性或薄膜性能。
電弧第5個(gè)階段的特征
階段V：過(guò)程恢復
關(guān)閉階段結束后，電源開(kāi)始重新輸出。根據工藝條件的不同，電弧恢復過(guò)程由電源自動(dòng)處理。如果工藝的電弧速率高或者電弧恢復期間的等離子體不穩定，可以調整電源，重新更有效地輸出。
測量電弧能
測量電弧能時(shí)，通常使用示波器捕獲工藝電流和電壓波形，將其數值相乘，計算瞬時(shí)功率。另外對前4個(gè)電弧階段進(jìn)行積分，計算焦耳單位的電弧能。盡管同一方法適用于多數等離子體工藝，但實(shí)驗設計差異會(huì )導致測量差異較大。例如，作者采用保守方法，通過(guò)測量腔室端而不是電源端的電壓和電流。電源輸出時(shí)的能量測量會(huì )受到電纜電抗阻抗的影響。另外，電源施加的反向電壓會(huì )扭曲電源輸出端獲取的階段III測量值。其它因素，例如試驗設備，也會(huì )導致電弧能測量產(chǎn)生差異。為了可靠地對比電弧能數據，必須小心確保實(shí)驗設計將測量技術(shù)的差異降至最低。
設置一致性、測量位置和工藝對于結果是否可重復很關(guān)鍵。因為輸出電纜儲存能量，其類(lèi)型、長(cháng)度甚至布局都會(huì )影響電弧能。測量腔室端的電弧能（圖2-端子1），與測量電源輸出端得到的結果不同。
圖 2-電弧能測量設置
圖3顯示7.5米三同軸電纜的電壓和電流波形如何不同。在該案例中，使用腔室電壓（通道1）和腔室電流（通道2）計算輸出至腔室（F2）的瞬時(shí)功率，而使用電源電壓（通道3）和電流（通道4）測量值，計算輸出至電纜（F4）的瞬時(shí)功率。
圖 3-腔室的V/I波形與電源的V/I波形
通過(guò)集成示波器光標間的電源波形，計算測量電弧能，該數值比電源處的電弧能大1.25毫焦（0.065毫焦/千瓦），這主要是電源端處的電壓衰減較慢（100ns）導致的，原因在于輸出電纜。使用反向電壓和電流，從電纜和腔室中拉回能量，將電弧能降至最低。
電弧能是產(chǎn)生電弧期間輸出至腔室內的能量。
為確保測量的可重復性，作者選擇在階段I，腔室電壓下降至工藝電壓的90%以下開(kāi)始積分（t1），同時(shí)在電源輸出關(guān)閉時(shí)間已結束時(shí)結束（t2），積分直至階段IV結束的能量。它構成直至電弧結束時(shí)的整個(gè)儲能耗散，為腔室和工藝間的對比提供更一致的標準。因為某些工藝產(chǎn)生很大的電弧差異，應該記錄多電弧事件并求其平均值。
測量電弧能的最重要工具是示波器?，F在的許多數字示波器會(huì )進(jìn)行乘法運算，對時(shí)間光標間的能量進(jìn)行積分。所有試驗設備的設置都應該小心。確保已根據相關(guān)制造商規范，正確配置、歸零電壓和電流探頭以及消磁。甚至小范圍的探頭偏移都會(huì )導致電弧能測量值出現較大誤差。
通常將電弧能歸一化為功率的函數（毫焦/千瓦），用于對比和規范。但應該注意的是：工藝功率越大以及更重要的是電流越大越會(huì )增加輸出至電弧的絕對能量（焦耳），同時(shí)降低歸一化的電弧能（毫焦/千瓦）。
02. 實(shí)驗裝置
使用1.5米雙旋轉陰極進(jìn)行反應磁控濺射實(shí)驗，在氧/氬氣氛中使用鋁（Al）和硅鋁摻雜（SiAl）靶。
使用Advanced Energy Ascent AP30 DMS和Ascent DMS 60kW電源為磁控管供電。連接電源與腔室的輸出電纜為7.5米三同軸電纜。配置LeCroy示波器、高壓差分電壓探頭和500安AC/DC電流探頭，測量腔室連接處的電流和電壓波形（圖2標示端子1）。在測試前，在20kW全功率下，先使用純氬氣進(jìn)行1.5小時(shí)的處理步驟。
獨立改變三個(gè)不同的電弧處理參數，記錄電弧能量，確定它們各自對電弧能的影響?？梢噪S時(shí)調節電源中的這3個(gè)參數。第一個(gè)參數-電弧電壓閥值，這是電源發(fā)現產(chǎn)生電弧時(shí)的電壓，通常設置為工藝電壓和電弧電壓之間的某一個(gè)值。第二個(gè)參數-反向電壓，它是電弧反應期間施加在電源輸出處的電壓。反向電壓的極性被設置為與產(chǎn)生電弧時(shí)的工藝電壓反相，強行將工藝電流降至0安培并熄滅電弧?？删幊谭聪螂妷涸诠に囯妷旱?18%和165%之間變化不等。最后一個(gè)參數-持續時(shí)間，它是電源開(kāi)始響應前、電弧必須存在的時(shí)間。持續時(shí)間也被稱(chēng)作檢測時(shí)間，在4ns和2000ns之間。其他參數，如功率設定值和頻率等被設置以誘發(fā)足夠的電弧密度，用以捕獲電弧事件。為了捕獲基線(xiàn)數據，使用了以下參數：
03. 結果
對于鋁和硅磁控管，圖4和圖5中繪出電弧能測量值的基線(xiàn)設置，以顯示電弧能分布。正如Carter和Walde所指出的[3]，靶材料影響電弧能分布。
圖 4-AlOx的電弧能分布
圖 5-SiOx的電弧能分布
圖 6-改善SiOx測量技術(shù)的電弧能分布
對于鋁而言，電弧能大部分在0.275毫焦/千瓦和0.575毫焦/千瓦之間，而硅則為0.540毫焦/千瓦到0.690毫焦/千瓦之間。
在整個(gè)測試期間，發(fā)現分布出現變化以及若干因素對電弧能測量特別靈敏。發(fā)現靶處理、電流探頭隨時(shí)間和溫度的漂移以及示波器觸發(fā)方法都對結果產(chǎn)生明顯影響。盡管靶處于真空中，但在測量前先持續燒靶改善了電弧測量變化，表明靶和材料溫度影響電弧能。測量設備也產(chǎn)生了影響。使用150A直流電流探頭測試，因內部發(fā)熱而導致隨時(shí)間漂移。將60A工藝改為500A直流探頭后，解決了所有漂移問(wèn)題。使用設定剛超過(guò)工藝值的電流觸發(fā)閥值，可能導致早期結果扭曲，這是由于忽略較低峰值電流的電弧導致的，從而電弧能分布加寬。為了捕獲更好的事件隨機采樣并消除測量偏誤，使用電弧關(guān)斷時(shí)間而不是使用電壓或電流閥值觸發(fā)示波器。圖6顯示改進(jìn)電弧能測量值后的SiOx電弧能分布。分布較窄且更均勻。
使用先進(jìn)電弧管理能力的電源能夠包含階段I的總電弧能的主要部分，通常小于產(chǎn)生電弧的500ns。
圖 7-階段I輸出的電弧能
圖7波形顯示階段I期間阻抗急劇下降時(shí)電弧的大約60%總測得的弧能。在圖7中，通道1是腔室電壓，通道2為腔室電流，F2是輸出至腔室的能量積分。若電源檢測時(shí)間或者被動(dòng)響應較長(cháng)，來(lái)自階段II和III的電弧能部分明顯更高，導致總能量較高。
電弧電壓檢測閥值
實(shí)驗數據顯示：將電弧電壓檢測閥值增加至接近濺射電壓時(shí)可提高電弧反應時(shí)間，減少階段II電弧能。在這些實(shí)驗中，將電弧閥值逐漸從50V（濺射電壓的15%）增加至250V（濺射電壓的75%），如圖8所示。
圖 8-作為電壓檢測閥值的函數的電弧能
這符合預期，因為增加電壓閥值導致階段I更早檢測到電弧，在濺射電壓75%與15%處觸發(fā)時(shí)典型可節省檢測時(shí)間長(cháng)達400ns。階段I通常提供輸出能量的60%至70%?？紤]到檢測閥值時(shí)，可以實(shí)現10%至20%的電弧能下降。重要的是平衡電弧能與因檢測到假電弧而導致的工藝不穩定性。
持續時(shí)間
圖9顯示作為弧能對電弧持續時(shí)間的函數。若持續時(shí)間小于500ns，會(huì )導致反應時(shí)間決定總電弧能。若持續時(shí)間超過(guò)500ns，檢測延遲將開(kāi)始決定電弧響應，電弧能明顯增加。在正常工藝運行期間，可將持續時(shí)間用作避免假電弧的預防措施，特別是存在高電壓波動(dòng)工藝中。通?？墒褂瞄L(cháng)達500ns的持續時(shí)間而不會(huì )影響電弧能。與電弧電壓檢測閥值類(lèi)似，最佳持續時(shí)間設置需要在最小假電弧響應與最小電弧能之間取得平衡。實(shí)驗數據顯示：在SiOx靶上，若持續時(shí)間在500ns和1000ns之間，可明顯增加了階段II的能量。根據工藝要求的不同，有時(shí)將持續時(shí)間調至500ns以上會(huì )更有利。例如，靶處理步驟可能特意引入更高電弧能，使用非反應氣體燒掉磁控管上的雜質(zhì)。持續時(shí)間提供一種便捷的工具，可有預謀地增加電弧能。
圖 9-作為持續時(shí)間的函數的電弧能
反向電壓
對于A(yíng)lOx和SiOx，反向電壓增加導致電弧能下降。圖10顯示反向電壓從工藝電壓的118%增加至150%時(shí)的電弧能下降趨勢。在階段III期間施加反向電壓，更高數量級的電壓反轉可縮短階段III時(shí)間。由于以下關(guān)系，反向電壓對縮短階段III時(shí)間和總電弧能的影響在較大工藝電流時(shí)更大：
其中V反向為反向電壓，L是電纜和工藝電感，di是降至0安培的工藝電流。
圖 10-作為反向電壓的函數的電弧能
輸出電纜的影響
電纜的電抗阻抗由其材料、幾何形狀和長(cháng)度決定，其大小也將影響電弧能。盡管輸出電纜并非可調參根據選擇的電纜不同，電源參數的影響也會(huì )發(fā)生改變。測試各種長(cháng)度和類(lèi)型的電纜，顯示電纜特性對電弧能的影響。對比了7.5米的三同軸、20米的三同軸和4.5米的雙絞線(xiàn)電纜，重復圖11所示持續時(shí)間變化的實(shí)驗結果。電纜類(lèi)型及其長(cháng)度是對輸出電弧能極其敏感的參數。這是因為電纜的能量?jì)Υ嫣匦詫е?，特別是電纜自感和電纜電容。在測試的所有參數中，電纜類(lèi)型和長(cháng)度對電弧能的影響最大。
圖 11-電纜輸出對電弧能的影響
04. 結論
從形成到恢復的整個(gè)電弧過(guò)程，可以分為5個(gè)明確階段。電弧形成和輸出電弧能出現在階段I和II，而反轉、關(guān)閉和恢復出現在階段III、IV和V。如果采用先進(jìn)電弧管理技術(shù)的電源并優(yōu)化電弧設置，多數電弧能在階段1輸出。
測量電弧能時(shí)，可能會(huì )難于生產(chǎn)可重復的結果。需要小心測量位置、所用設備、系統設置、布線(xiàn)、材料和電弧參數，因為它們都會(huì )影響輸出至電弧的能量。對比電弧測量結果時(shí)，重要的是切記這些考慮，使用一致的測量技術(shù)。
因為這三個(gè)電源參數在實(shí)驗期間會(huì )變化，都影響輸出電弧能。長(cháng)持續時(shí)間對輸出至電弧的能量所產(chǎn)生的影響最大。電弧電壓檢測閥值應該在更快檢測電弧和避免假檢測之間取得平衡。
在階段III期間，增加反向電壓后，通過(guò)將來(lái)自電弧的能量轉化回電源，可降低電弧能，這種影響在大電流工藝中更大。除了電源之外，其它參數也影響電弧能。靶材料和輸出電纜選擇對電弧能有重要影響。實(shí)驗顯示：使用4.5米雙絞線(xiàn)比7.5米三同軸輸出電纜的電弧能幾乎增加一倍。
減少異常電弧導致的靶、基片以及其它部件的缺陷，將在所有等離子體工藝中持續成為重要內容。隨著(zhù)質(zhì)量和性能指標以及等離子體電源技術(shù)的進(jìn)步，電弧能將持續下降。使用本文所列技術(shù)，工藝工程師能夠理解、測量和降低輸出至電弧的能量，以?xún)?yōu)化結果。
參考文獻
1 ? Christie, D. (2014, October 07). Magnetron Arcing: Considerations for Large-Area Coating. Fort Collins , CO. Retrieved from Advanced Energy.com:
https://www.advancedenergyblog.com/solutions/thin-films/magnetron-arcing-considerations-large-area-coating/
2 ? Carter, D., & Walde, H. (2011). Factors in Arc Parameter Selection on Large Scale Depostion Process. 54th Annual Technical Conference Proceedings, 234-239.
3 ? Carter, D., & Walde, H. (2010). Managing Arcs for Optimum Depostion Perfromance. 53rd Annual Technical Conference Proceedings, 256-262.
來(lái)源： Advanced Energy
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