在等离子体腔内生成高度电离的等离子体

摘要

一种生成等离子体腔（2）内的高度电离的等离子体的方法，其包括如下步骤：a.在低于50Pa的压强下提供将在等离子体腔（2）内被电离的中性气体；b.向与所述等离子体腔（2）内的靶连接的至少一个磁控管阴极提供至少一个高能、高功率电脉冲，所述电脉冲具有大于或等于100kW的功率，和大于或等于10J的能量，c.直接由等离子体体积内的所述中性气体生成高度电离的等离子体，从而使等离子体体积截面在电流增大时间段期间增大，d.利用所述高度电离的等离子体从靶溅射原子，e.使所溅射的原子的至少一部分电离。

说明书

技术领域

本公开涉及在等离子体腔内生成高度电离的等离子体。

背景技术

在典型的溅射涂覆工艺中，放电产生的电子与溅射气体碰撞，由此使 气体电离。这一溅射工艺通常处于10Pa和0.1Pa之间的压强范围内。在这 一压强范围内，原子或分子的数量处于5*10¹⁵cm^-3和2*10¹³cm^-3之间。随着 离子轰击靶，将原子从靶上分离下来，所述原子将沉积在所要涂覆的衬底 上。将使原子与靶分离的过程称为溅射过程。也可以利用这一溅射过程进 行蚀刻。在一些系统中，可以通过在靶附近产生高度电离的等离子体而实 现改善的靶利用率和涂覆均匀性。在这样的系统中，首先在低压上生成部 分电离的等离子体，之后通过施加高功率放电脉冲而生成高度电离的等离 子体。在离子数量超过10¹²cm^-3时就达到了本语境下的高度电离的等离子 体。

然而，已经发现与上游低电离步骤结合的高功率放电脉冲降低了溅射 过程中生成的膜的粘附性，并且可能在反应溅射过程中导致靶毒化 （poisoning）。此外，必须在第一时间周期内施加低压限制了同时将电源用 于其他用途，例如，用于蚀刻。

在EP1560943B1中，描述了一种用于创建高度电离的等离子体的两步 方案。对于第一时间周期，向放电间隙施加低电压，之后在一个短时间周 期内施加较高的电压。这首先使气体低电离，之后使气体高度电离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于在等离子体腔内生成高度电离的等离 子体的方法和设备，其适用于蚀刻以及在溅射沉积过程中建立高粘性，并 且避免了在反应溅射过程中使电极、靶、等离子体腔或衬底毒化。

就第一方面而言，在等离子体腔内生成高度电离的等离子体是通过下 述操作实现的：

a.在低于50Pa的压强下提供要在等离子体腔内电离的中性气体；

b.向与等离子体腔中的靶连接的至少一个磁控管阴极施加至少一个高 能量、高功率电脉冲，其功率大于或等于100kW，其能量大于或等于10J

c.直接由等离子体体积内的中性气体生成高度电离的等离子体，因而 等离子体体积截面在电流增大时间段期间增大

d.利用所述高度电离的等离子体从靶上溅射出原子，

e.使所溅射的原子的至少一部分电离。

等离子体是与气体类似的物质状态，其中某一部分粒子被电离。尽管 等离子体含有自由电荷粒子是事实，但是从宏观角度来讲等离子体是电中 性的。这意味着其含有处于均衡状态的相同数量的正负电荷。根据本发明， 通过影响等离子体腔内的条件，并因而影响电流增大时间段期间的等离子 体生成过程而由中性气体直接生成高度电离的等离子体。

在高能量持续期间，高功率脉冲可能短于500μs，优选不长于300μs， 更优选不长于200μs。这意味着在非常短的脉冲内施加全部能量。因此，电 压增大时间和电流增大时间都必须非常短。其导致了等离子体的非常高的 电离。

就一方面而言，等离子体体积截面在电流增大时间段期间增大，同时 保持基本上恒定的电流密度和/或基本上恒定的电离度。因而，能够在溅射 沉积期间实现更高的粘附性。换言之：在等离子体体积截面在电流增大时 间段期间增大的同时保持基本上恒定的电流密度和/或基本上恒定的电离 度。

根据这一方案，直接由中性气体生成高度电离的等离子体。在电流增 大时间段期间可以初始化等离子体腔内的高度电离区域的空间生长。由此 将导致均匀的、高度电离的等离子体，因而提高靶利用率。

等离子体截面的空间生长意味着具有基本上恒定的电流密度的电流的 增长，即，I=S·J，其中，I=电流，S=等离子体体积截面（增大值），J=电 流密度（恒定）。这里，电流反映高度电离的等离子体体积生长而非电离度。

根据这一方法的各个方面，在所述腔内提供的气体可以在无需经历弱 电离或低电离等离子体阶段或者其他预备等离子体阶段，例如辉光放电或 电弧放电的情况下取得高度电离的等离子体状态，即，直接由所述中性气 体生成高度电离的等离子体。所述气体可以在直接进入高度电离等离子体 状态之前经历一个或几个不形成等离子体阶段的击穿阶段。通过以电脉冲 提供瞬时超过电离电击穿阈值的足够高的能量使其成为了可能。同时，可 以控制电流增大时间或者可以设定电流脉冲的形状，从而在无需经历低电 离等离子体状态或电弧放电状态的情况下获得高度电离的等离子体。过程 的发展可能取决于大量的参数，其中，下面给出了最重要的参数的列表：

·气体压强

·气体混合，尤其是在利用反应气体时，

·靶材，

·气体、靶和等离子体腔的温度，

·磁场的强度和形状，

·电场的强度和形状，

·相对于磁场方向的电场方向，

·电压增大和电流增大速度，

·脉冲持续期间提供的能量

·功率增大时间，

·脉冲持续时间，

·脉冲重复速率，

·等等。

由于影响发展成高度电离的等离子体的大量参数的原因以及这些参数 的相互作用的原因，至少在操作的开始和/或在维持间隔期间对等离子体的 发展进行监测是有利的。借助诸如电光摄影仪、光谱仪、极快CCD照相机 的被选作监测专门的等离子体过程的光学仪器，并且借助电、磁、物理以 及化学设置的变化，有可能在不经历电弧放电或低电离等离子体的情况下 达到一组用于实现高度电离的等离子体的参数。在下文中将对此给出更加 详细的解释。在Helmersson等人的"Ionized physical vapor deposition(IPVD): A review of technology and applications",Thin Solid Films,Elsevier-Sequoia  S.A.Lausanne,CH,vol.513,no.1-2,(2006-08-14),pages1-24中，尤其是在 其中的第9-11页描述了本领域已知的等离子体过程监测，在下文中将该文 献引述为“IPVD Review”。

在高能量、高功率脉冲的电压增大的开始，可以提供一定数量的自由 电子，其将通过所述脉冲引起的电场进行加速。可以通过电子源或者宇宙x 射线辐射或其他方法提供所述一定数量的电子。气体中的受到加速的自由 电子可以引起雪崩型电离过程，其将触发气体中的电击穿。

所述的高能、高功率脉冲可以产生或者可以选择使其生成至少与其生 成的溅射材料的电离原子一样多的所提供的气体的电离原子。这有助于在 短时间内获得高度电离的等离子体，并且还能够改善溅射过程。这提高了 利用溅射原子沉积的涂层的粘附性。也可以在反应过程中使反应气体电离。 由此能够得到更高的溅射过程产出率，并且能够改善溅射原子或离子与活 性气体的化合，因此还能够获得更高的粘附性。

可以在稳定等离子体状态之前在中性气体中触发电子雪崩。电子雪崩 是这样一个过程，其中，使气体中的一定数量的自由电子受到电场的强烈 加速，通过被称为碰撞电离的冲击使气体的原子电离，由此形成二次电子， 继而通过相继的循环使之经历相同的过程。电子雪崩对于气体内的介电击 穿过程是非常关键的。

可以在稳定等离子体状态之前触发电离波。具体而言，可以在等离子 体腔的阴极和阳极之间施加电压脉冲，从而在继电子雪崩之后产生电离波。 在下文中将更加详细地描述电离波的形成。

雪崩型电离过程、电子雪崩和电离波属于各个击穿阶段。这些击穿阶 段不构成等离子体状态，因为与等离子体形成对照的是，它们是高度不均 衡的，在既定空间内不均匀，所具有的负电荷比正电荷多，而且发生在建 立鞘层（sheath）之前。

可以向至少一个电极施加高能、高功率脉冲，其中，所产生的跨越所 述至少一个电极和第二电极之间的电压高于中性气体的静态击穿电压或动 态击穿电压，并且所述脉冲提供了足够的电流和/或功率增大能力，从而在 不经历低电离等离子体或电弧放电的情况下生成高度电离的等离子体。这 能够非常快地生成高度电离的等离子体。能够避免与电弧放电或低电离等 离子体相关的缺点。静态击穿电压是使绝缘体的部分变得导电的最低电压。 动态或脉冲击穿电压是指这样的一种事实，即，在指定时间间隔内间隙能 够维持高于静态击穿电压而又不发生击穿的电压。但是在达到动态或脉冲 击穿电压时，所述间隙变得导电，其变为导电的速度要比仅达到静态击穿 电压的情况快得多。

可以对所述高能、高功率脉冲进行选择，从而在等离子体腔内的电流 密度或电离度达到其最大值的80%以上之前使所述电极和等离子体腔之间 的或者等离子体腔的阳极和阴极之间的电压达到其最大值的80%以上。这 确保了所述电压、电流和/或功率脉冲大到足以由中性气体直接在等离子体 腔内生成高度电离的等离子体，而无需经历低电离等离子体或电弧放电。

可以对所述高能、高功率脉冲加以选择，从而在流入所述电极的电流 达到了其最大值的80%以上之前使所述等离子体腔内的电流密度或电离度 达到其最大值的30%以上，优选为50%以上，更优选为80%以上，更优选 为90%以上。

可以对所述高能、高功率脉冲进行选择，从而使雪崩数量在电流增大 时间段期间增大。这确保了从中性气体到高度电离的等离子体的变换。

另一方面，通过下述操作实现在等离子体腔内生成高度电离的等离子 体：

a.在低于50Pa的压强下提供要在等离子体腔内电离的中性气体；

b.向与等离子体腔中的靶连接的至少一个磁控管阴极施加至少一个高 能量、高功率电脉冲，其功率大于或等于100kW，具体而言为500kW，其 能量大于或等于10J，具体而言为50J

c.直接由中性气体生成高度电离的等离子体，因而在电流增大时间段 期间

d.在流入所述电极的电流达到其最大值的80%以上之前，使等离子体 腔内的电流密度达到其最大值的80%以上。

根据这一方法的各个方面，在所述腔内提供的气体可以在无需经历弱 电离或低电离等离子体阶段或者其他预备等离子体阶段，例如辉光放电或 电弧放电的情况下取得高度电离的等离子体状态，即，直接由所述中性气 体生成高度电离的等离子体。所述气体可以在直接进入高度电离等离子体 状态之前经历一个或几个不形成等离子体阶段的击穿阶段。这使得溅射沉 积期间的粘附性得到了改善，使得等离子体工艺适用于蚀刻，避免了电极、 靶、等离子体腔或衬底在反应溅射期间发生毒化。根据本发明，通过影响 等离子体腔内的条件，并因而影响电流增大时间段期间的等离子体生成过 程而由中性气体直接生成高度电离的等离子体。

电流密度的监测是本领域已知的。可以在“IPVD Review”的第9页、 图11和针对图11的描述当中找到对这样的测量的公开。

可以将这一方法与所有上述方法步骤单独结合或者以组合的方式相结 合。

另一方面，通过下述操作实现在等离子体腔内生成高度电离的等离子 体：

a.在等离子体腔内提供要电离的中性气体连同少量的自由电子；

b.向等离子体腔中的阳极和磁控管阴极之间施加至少一个高能量、高 功率电脉冲，其功率大于或等于100kW，具体而言为500kW，其能量大于 或等于10J，具体而言为50J，以便在所述阳极和所述阴极之间生成电场，

c.使所述自由电子加速，以便使所述中性气体中的原子电离，并且生 成二次电子，

d.通过磁场使得经过加速的电子的流动方向发生偏转

e.生成非均衡的或者宏观非中性的电离雪崩，

f.吸收阳极处的电子，

g.在阳极附近构建阳离子电荷，

h.使电离气体原子朝向所述阴极加速，从而建立第一电离波，

i.从与阴极电连接的靶溅射靶材料，

j.使从靶溅射的靶原子电离。

因而，根据本发明的这一方面，还是通过影响等离子体腔内的条件直 接由中性气体生成高度电离的等离子体。

根据这一方法的各个方面，在所述腔内提供的气体可以在无需经历弱 电离或低电离等离子体阶段或者其他预备等离子体阶段，例如辉光放电或 电弧放电的情况下取得高度电离的等离子体状态。所述气体可以在直接进 入高度电离等离子体状态之前经历一个或几个不形成等离子体阶段的击穿 阶段。这使得溅射沉积期间的粘附性得到了改善，使得等离子体工艺适用 于蚀刻，避免了电极、靶、等离子体腔或衬底在反应溅射期间发生毒化。

也可以将这一方法与所有上述方法步骤单独结合或者以组合的方式相 结合。

另一方面，一种磁增强溅射设备包括：

a.至少一个磁体，其被配置为以磁控管构造在溅射靶的表面上提供磁 场，其中，要从所述溅射靶溅射材料。

b.被配置为容纳溅射靶的等离子体腔，所述腔具有用于将要电离的中 性气体引入到所述腔内的入口，

c.所述腔内的阳极和阴极，所述阴极与所述靶电连接，

d.高能脉冲电源，其被配置为在所述腔内的所述阳极和阴极之间施加 高能、高功率电脉冲，所述脉冲的功率大于或等于100kW，其能量大于或 等于10J，

e.其中，响应于所述高能脉冲电源，直接由所述中性气体生成高度电 离的等离子体，从而使等离子体体积截面在电流增大时间段期间增大。

这样的设备可以适于在不经历电弧放电或低电离阶段的情况下生成高 度电离的等离子体，即，由中性气体直接生成等离子体。

可以将所述设备配置成使得在电流增大时间段的至少部分期间保持基 本上恒定的电流密度和/或基本上恒定的电离度。

所述电压源可以生成达到至少10¹²cm^-3的电离度的电压脉冲。因而，生 成了适于溅射或蚀刻工艺的高度电离的等离子体。

另一方面，本发明涉及用于为磁增强溅射提供电脉冲的高能脉冲电源， 其被配置为生成功率大于或等于100kW，具体而言为500kW，能量大于或 等于10J，具体而言为50J的高能、高功率电脉冲，将所述脉冲提供给等离 子体腔的至少一个磁控管阴极，从而在所述等离子体腔内由中性气体生成 高度电离的等离子体，使得在电流增大时间段期间使等离子体体积截面增 大。

针对对应方法步骤而言的优点同样适用于这里。

可以将所述源配置为在电流增大时间段期间保持基本上恒定的电流密 度和/或基本上恒定的电离度。

另一方面，本发明还涉及一种用于输送用于磁增强溅射的电脉冲的源， 所述高能脉冲电源被配置为生成功率大于或等于100kW，尤其是500kW， 能量大于或等于10J，尤其是50J的高能、高功率电脉冲，在少于200μs的 时间内将所述电脉冲提供给所述等离子体腔的至少一个磁控管阴极，从而 由所述等离子体腔内的中性气体生成高度电离的等离子体，将所述源配置 为使得在所述电流密度达到其最大值的80%以上之前使等离子体腔内的阳 极和阴极之间的电压达到其最大值的80%以上。

此外，可以将所述高能高功率脉冲配置为使得在流入所述电极的电流 达到其最大值的80%以上之前，使等离子体腔内的电流密度达到其最大值 的30%以上，优选为50％以上，更优选为80%以上，更优选为90%以上。

所述高能脉冲电源可以包括被配置为在生成所述高能、高功率电脉冲 时闭合，并且被配置为在所述电流增大到阈值以上时断开的开关。

所述高能脉冲电源可以包括被配置为在生成所述高能、高功率电脉冲 时闭合并且可以被配置为在电流减小至第二阈值以下或者在短于50μs的预 定持续时间之后再次闭合的开关。

可以在如前所述的设备当中利用上文描述的高能脉冲电源。

所述高能脉冲电源或者用于磁增强溅射的设备可以包括具有可配置的 电感和/或电容和/或电阻器的匹配电路。所述匹配电路可以是高能脉冲电源 的部分，或者可以在所述高能脉冲电源之外提供所述匹配电路。在后一种 情况下，其可以是上文所述的磁增强溅射设备的部分。

所述高能脉冲电源或者所述用于磁增强溅射的设备可以包括同时对多 个串联和/或并联的晶体管进行切换的脉冲控制。

将在随后的说明中阐述本发明的其他目的和优点，通过所述说明这样 的目的和优点将显而易见。通过尤其是在权利要求中指出的方法、过程、 手段及其组合实现以及获得本发明的所述目的和优点。

附图说明

下文将参考附图详细描述非限制实施例，其中：

图1是用于磁增强溅射的设备的示意性表示；

图2是示出了随着时间变化的电流、电流密度和电离度的图示。

图3a是用于磁增强溅射的设备的示意性表示；

图3b是用于磁增强溅射的设备的另一示意性表示；

图4a是具有中性气体和自由电子的用于磁增强溅射的设备的示意性表 示；

图4b是形成了电离波的用于磁增强溅射的设备的示意性表示；

图4c是形成了两个电离波的用于磁增强溅射的设备的示意性表示；

图4d是形成了电离波并且等离子体体积不断增大的用于磁增强溅射的 设备的示意性表示；

图5是具有所述高能脉冲电源的更将详细的视图的用于磁增强溅射的 设备的示意性表示；

图6是匹配电路的示意性表示；

图7是脉冲单元的示意性表示；

图8是示出了脉冲功率的图示；

图9是示出了高能、高功率脉冲的电压和电流波形的图示；

图10是示出了所述高能、高功率脉冲的电流波形的图示；

图11示出了高度电离的等离子体体积的建立的三个视图；

图12示出了具有额外的能量吸收器电路的图5所示的用于磁增强溅射 的设备的示意性表示；

图13更加详细地示出了图12的能量吸收器电路；

图14示出了串联和并联的开关组。

具体实施方式

图1示出了适于溅射的设备1。设备1包括等离子体腔2，其具有用于 提供中性气体的气体入口3。利用真空泵18对等离子体腔2抽真空。通过 阀门17使来自气体容器19的所要电离的中性气体进入。

在等离子体腔2内，提供磁体4，从而在溅射靶5的表面上提供磁场。 在被配置为阴极的电极6的顶部提供靶5。具体而言，使靶5与阴极6电连 接。与靶5相对地提供要涂覆靶材料的衬底7。在阳极8上提供衬底7。使 阳极8和阴极6与高能脉冲电源9连接，从而在等离子体腔2内的阳极8 和阴极6之间施加电压脉冲。可以对所述高能脉冲电源9加以控制以生成 脉冲，从而由所述中性气体生成高度电离的等离子体，使得能够在使形成 于等离子体腔2内的等离子体保持基本上恒定的电流密度和/或基本上恒定 的电离度的同时，使等离子体体积截面在电流增大时间段期间增大。

图2的图示示出了高度电离的等离子体的形成。在时间t0处，在阳极 8和阴极6之间施加电压脉冲，以提供从中性气体到高度电离的等离子体的 转换。这意味着在施加电压脉冲的同时瞬时形成了具有高电离度的高度电 离的等离子体。这一点通过线10表示。伴随从t₀到t₃升高的通过线11表 示的电流，其中，t₀和t₃之间的时间间隔表示电流增大时间段，通过线10 表示的电离度保持恒定。在时间t0处，高度电离的等离子体的体积12相对 较小。随着电流增大，其随着时间而增大。通过体积13、14和15对此给 出了图示。随着电离等离子体的体积的增大，电离等离子体的截面也增大。 在图2中，还可以看出，通过线16表示的电流密度在时间t0处迅速增大至 高的恒定值。电流密度的增大时间通常短于10μs。根据压力、靶材、磁场 等情况，所述增大时间可以短于1μs。从这时起，电流密度在电流增大时间 段期间保持恒定。这意味着电离等离子体体积的增大只是由于电流的增大 而引起的，而电流密度和电离度则保持恒定。

图3a示出了具有高能脉冲电源23的用于磁增强溅射的设备的示意性 表示，其中，所述高能脉冲电源23通过电源线23a连接至阴极24，通过电 源线23b连接至阳极25。将阳极25和阴极24置于等离子体腔20内。阴极 24直接与靶27电连接。在高能脉冲电源23施加脉冲时，在阳极25和阴极 24之间建立电场。将强磁体21置于靶的后面，其将扩建磁场。磁场28的 场线（虚线）至少部分垂直于电场26的场线。

图3b示出了用于磁增强溅射的设备的另一示意性表示，其中，不再对 相同的部分给出标示。图3b与图3a在阳极25a、25b的位置和形状方面存 在区别，在图3b中其处于阴极的两侧，电场26a、26b的场线也至少部分 垂直于磁场28的场线。在图3b中还示出了衬底29，可以在所述衬底上沉 积溅射出的原子和/或离子。

图4a是具有中性气体和自由电子的用于磁增强溅射的设备的示意性表 示。将中子31表示为“o”；将电子表示为“-”。借助所述电场将自由电子 朝向阳极加速。所述至少部分垂直的磁场使电子的流向偏转。这将使得现 在开始的雪崩过程具有和不存在这样的磁场的击穿当中完全不同的行为。 电子被捕获到阴极附近的体积当中。如上所述，可以通过阴极和阳极之间 的间隙的电场击穿将中性气体转换为等离子体状态。所述击穿是电荷倍增 并且变得均匀的转换过程。在施加电压的同时，在放电开始展开之前存在 统计时滞。其后随之而来的是对所述腔内的自由电子的加速，所述自由电 子将与气体原子碰撞，使其电离，创造更多的电子，由此触发电子电离雪 崩。

图4b示出了具有电离波33的图4a所示的设备。随着来自雪崩的电子 抵达阳极，它们将被吸收并建立阳离子电荷34。将带正电荷的离子标示为 “+”，通过电场将其朝向阴极加速。这将引起几次穿越所述间隙的电离波， 通过箭头35对其进行表示，所述电荷分布将变得更加均匀，并且形成阴极 和阳极鞘层（sheath）。在图4b中还示出了自由电子32。越来越多的雪崩形 成（雪崩倍增），从而增大了通往阴极的整个面的电离通道的截面和数量。 在这一点上，生成了等离子体，并且放电进入了空间均匀发光的状态。如 果所述击穿是以非常高的能量发生的（由动态电压增大引起的），那么所产 生的等离子体将是高度电离的。通常以超过10¹²cm-3的电离度描述高度电 离的等离子体。

图4c示出了形成了两个电离波33和36的图4a所示的设备。在电离波 33中，正电荷朝向相对于图4b而言的阴极的方向移动。而且，与图4b相 比，电离波33的空间范围和截面也增大了。

图4d示出了形成了电离波36并且具有增大的高度电离的等离子体体 积37的图4a、b、c所示的设备。

图5示出了具有高能脉冲电源40的更为详细的视图的用于磁增强溅射 的设备的示意性表示。其通过可以是插头的电源线及连接器41连接至市电 电源网络。将来自市电电源的电力连接至本领域已知的DC电源42。所述 电源可以是开关式电源，其具有将输出电势与市电电源电势断开的变压器。 在DC电源42的输出处，通过两条或更多条电源线将DC电力提供给脉冲 单元43。DC电源42还具有通信和控制线输入和输出，因而其可以连接至 可以是面板或计算机或者其他部件的外部控制39或者脉冲单元。在图5中 示出了处于DC电源42和脉冲单元43之间的数据通信线48a。在图5中， 通往外部控制39的另一数据线48c连接至脉冲单元43。也可以将其连接至 DC电源42。可以将DC电源42和脉冲单元43放到两个单独的外壳内或者 放到一个外壳内。第三数据通信线48b从脉冲单元43延伸至匹配电路45。 匹配电路45处于从所述脉冲单元延伸至等离子体腔46的阴极47的电源线 内。所述匹配电路不是绝对必需的，但是其为用户提供了阻尼振荡的可能 性，从而对电流波形整形，由此在不经历低电离等离子体或电弧放电的情 况下获得高度电离的等离子体。

为了确保所述等离子体过程在每一高功率脉冲上都以高度电离的等离 子体的形成而开始，有可能利用（例如）通过通信线38连接至外部控制39 的快速照相机49监测等离子体形成。如上所述，等离子体发展取决于相当 多的参数，其中的一些不受脉冲波形的影响，就像其来自电源一样。但是 有可能对一些参数做出改变，例如，通过改变磁体的位置改变磁场强度和 位置。如果场线的位置由于靶侵蚀的原因而变化，那么有可能通过外部控 制或者通过修改匹配电路45而改变高功率脉冲的电行为。

图6示出了匹配电路45的示意性表示。其包括一个或几个电感性元件 53，其中的一些可以是可变的，例如，利用电感53a表示的。其还包括一 个或多个电容器54，其中的一些可以是可变的，例如，利用电容器54a表 示的。其还包括一个或多个电阻器55，其中的一些可以是可变的，例如， 利用电阻器55a表示的。电阻器、电感和电容器是可更换的，有可能将其 短接。由于连接机构56的原因使所有这些称为可能。在图6中并非为所有 的连接机构都给出了附图标记。因而存在很大的多样性来调整脉冲波形。 也可以通过外部控制来控制所述可变元件。

图7示出了脉冲单元43的示意性表示。其包括通过电源线61a、61b 连接至DC电源42的充电电流整形单元60。充电电流整形单元60通过充 电二极管63输送电流，从而对电容器62充电。电容器62可以是由几个并 联和串联的电容器构成的电容器组，从而为所述高能脉冲存储足够的能量。 脉冲单元43还包括控制开关64的脉冲控制65。开关64在闭合1μs到300μs 的短的可控脉冲持续时间。其可以是由串联和并联的MOSFET开关构成的 开关组，所有的开关同时接通和断开，从而引发高电流，并对高能、高功 率脉冲的高电压进行切换。在开关64断开时，通过任选的匹配电路45引 向等离子体腔的电源线69a、69b中的电流将由于匹配电路和电源线中的固 有电感的原因而继续流动。为了避免脉冲单元43，尤其是开关64受到破坏， 在线69a和69b之间提供了续流二极管67。还包括电流传感器66，其向脉 冲控制65提供对应于流入等离子体腔的电流的信号。

图8示出了典型的脉冲持续时间和重复时间的图示。在纵轴上以千瓦 为单位示出了功率。这意味着所示出的脉冲具有大约1MW的峰值功率。横 轴上是时间标度。示出了三个脉冲83a、83b、83c。它们可以具有大约1ms 到1s的重复时间85。脉冲持续时间84可以处于1μs和300μs之间。如果 实施电流控制或调节，那么甚至有可能达到更长的脉冲持续时间，下文将 对此予以说明。在所述图示中还示出了平均输送功率86，在这一例子中， 所述平均输送功率大约为1.5kW，其为用于实现大面积涂覆的溅射目的的 典型值。

图9示出了高功率脉冲的典型电压波形87和电流波形89的图示；

图10示出了在脉冲应当长于300μs的情况下所述高功率脉冲的典型电 流波形的图示。如果脉冲的持续时间应当长于大约300μs，那么进入电弧放 电的风险将增大。应当避免电弧放电，因为它们将导致靶和衬底损伤。可 以通过巨大的电流增大或者巨大的电流增大速度检测到电弧放电。可以利 用电流传感器66对其进行监测，在检测到电弧放电时，通过脉冲控制65 可以立即断开开关64。之后电弧将在大约100μs内熄灭。仅将所述电源线 和匹配电路内的剩余能量输送给等离子体，所述能量往往过高。为了甚至 能够避免这一能量输送，有必要提供另一电弧分流器，下文将对其予以说 明。

为了避免电弧放电，在大约1μs到200μs的时间之后对电流加以控制 或限制是有利的。这一操作也可以利用电流传感器66和脉冲控制65完成。 如果电流增大到了可以是变量的既定阈值以上，那么断开开关64。从图9 可以看出，电流不会立即中止，而是以e函数下降。如果对所述电流进一 步监测，那么在检测到的电流降至既定的第二阈值以下时，可以使开关64 再次闭合。也可能在使开关重新闭合之前等待既定时间。通过这种方式， 能够对所述电流加以调节，如图10所示。信号94示出了开关64的接通和 断开。波形93是电流传感器66测得的电流的波形。

图11示出了可以通过图5所示的照相机49获得的几幅典型视图。在 图101中看到形成了五个高度电离的等离子体体积。在作为晚几纳秒拍摄 的图片的图102中，这五个等离子体体积已经增大了。而且形成了新的第 六个等离子体体积。在还是晚了几纳秒的图103中，六个等离子体体积再 次增大。可以容易地想象出是怎样通过这种方式建立均匀的等离子体的。 可通过光谱滤波器或者这一视图的图片检测到所述等离子体是否实际是高 度电离的，以及是否还出现了溅射材料的电离原子。如果这一监测表明高 度电离从一开始就起动，那么所有的参数都得到了良好设置。如果这一监 测表明高度电离是在低电离阶段之后开始的，那么应当改变诸如上文列举 的值的参数。

图12示出了具有额外的能量吸收器电路106的图5所示的用于磁增强 溅射的设备的示意性表示。而且这一电路具有数据通信线48d，并且其与外 部控制39、脉冲单元43和DC电源42连接。也可以具有任选的通往匹配 单元45的数据连接48e。将所述额外的能量吸收器电路106配置为至少部 分地吸收存储在从所述高能脉冲电源40到所述等离子体腔46的电源线中 的能量。其还可以至少部分地吸收存储在等离子体腔46中的能量。将这一 能量吸收器电路106配置为在诸如脉冲单元43的电流传感器77（图7）的 传感器检测到异常电流增大时被激活。这可以是由于等离子体腔内的电弧 放电引起的。如前所述，在检测到电弧放电时，可以通过脉冲控制65立即 断开开关64。之后电弧将在大约100μs内熄灭。仅将所述电源线和匹配电 路45内的剩余能量输送给等离子体，所述能量往往过高。为了甚至能够避 免至少部分地输送这一能量，激活能量吸收器电路106。

图13更加详细地示出了这样的能量吸收器电路106。控制部分113对 常闭的开关114加以控制。一旦检测到了异常电流增大或电弧就要使这一 开关尽可能快地断开。此刻在高能脉冲电源40和等离子体腔46之间的电 源线内流动的电流将由于所述电源线内的固有电感的原因而继续流动。现 在所述电流通过二极管112流入到电容器111中。将预充电和放电电路110 连接至电容器111。其将电容器111预先充电至所定义的电压，这有助于尽 可能快地吸收能量。在电流下降的同时所述电流将对所述电容器充电。为 了避免在几次激活能量吸收器电路106之后在电容器111处产生过电压， 必须对电容器111放电。这一操作可以通过放电电路完成，也可以将其实 现在所述预充电和放电电路110内。也可以将电容器111置于所述DC电源 内，并且可以利用从所述电源线进入所述电容器的能量对脉冲单元43的电 容器62充电。

图14示出了包括四个串联和并联的开关120a、120b、120c、120d的开 关组123。这是一种可以用于脉冲单元43的开关64或者用于能量吸收器电 路106的开关114的构造。所有的四个开关120a、120b、120c、120d可以 是同时接通和关闭的MOSFET。通过控制线121对它们加以控制。串联开 关对120a、120c与串联开关对120b、120d之间的连接122是任选的。