针对高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)的RF衬底偏压

摘要

本发明提供了一种用于以磁控管阴极上的0.1与10A/cm2之间的电流密度产生靶溅射以在衬底上生成涂层的设备。所述设备包括可操作地连接到磁控管的电源以及可操作地连接到电源的至少一个电容器。还提供了第一开关。第一开关可操作地将电源连接到磁控管以对磁控管进行充电，并且第一开关被配置为根据第一脉冲来对磁控管进行充电。电偏压装置可操作地连接到衬底并被配置为施加衬底偏压。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2006年12月14日提交的美国临时申请号60/869,912的权益，该申请的全部公开内容在此以引用方式并入本文。本申请还要求于2006年12月12日提交的美国临时申请号60/869,566的权益，该申请的全部公开内容在此以引用方式并入本文。本申请还要求于2006年12月12日提交的美国临时申请号60/869,578的权益，该申请的全部公开内容在此以引用方式并入本文。

技术领域

本发明大体上涉及溅射(sputtering)，并且更具体地涉及高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)。

背景技术

溅射是物理过程，通过该过程固体靶材料中的原子由于高能离子对材料的轰击而被喷射(eject)进入气相。溅射过程一般用于薄膜沉积。用于溅射过程的高能离子通过在溅射设备中感应的等离子体来供应。实践中，使用各种技术来修改等离子体属性(特别是离子密度)以获得最佳溅射条件。用来修改等离子体属性的一些技术包括使用RF(射频)交流电、AC电源、DC电源、DC和AC电源的叠加、脉冲DC电源(例如双极或单极电源)、利用磁场以及对靶施加偏压。

溅射源通常是磁控管(magnetron)，其使用磁场来捕获靠近靶表面的封闭等离子体回路(loop)中的电子。电子沿着绕磁场线的回路中的螺旋路径而前进。比起其他情况，电子经受与靶表面附近的气态中性物(neutrals)的更多的电离碰撞。溅射气体是惰性的，通常为氩气，不过也能够使用其他气体。由于这些碰撞所产生的额外氩离子引起相对较高的沉积速率。公知的是在靶之外布置强永磁体，以便产生这种磁场回路。在靶表面上的等离子体回路的位置，能够形成粒子轨道(racetrack)，其是材料的优选侵蚀区域。为了增加材料利用率，使用了可移动的磁布置，这考虑到在靶的相对较大区域上扫过(sweep)等离子体回路。

直流(DC)磁控溅射是使用交叉电磁场的公知技术。一种对DC磁控溅射的增强是脉冲DC。该技术使用所谓的“斩波器(chopper)”，其中使用感应器线圈L和开关来将DC电源改为单极或双极脉冲的电源，见图1。感应器线圈L是斩波器，并且能够优选包括位于DC电源与磁控管阴极之间的抽头(tap)。电子开关S周期性地打开和闭合以产生脉冲。在开关S的导通时间，线圈L的抽头与磁控管阳极之间的有效短路切断了负阴极电压，优选通过线圈L的自动变换效应而过冲至正电压。在断开时间期间，来自DC电源的电流继续流入线圈L，并将能量存储在其磁场中。当开关S再次断开时，在磁控管阴极处形成了短暂的负高电压峰。这有助于相对快速地重新激起(reignite)磁控等离子体以及恢复原始放电电流。

现有技术中所描述的高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)技术使用相对较低的脉冲重复频率，通常为5Hz到200Hz，脉冲时间为20到500μs。放电峰值电流的范围从用于相对小阴极的100A到用于相对大阴极的4kA，其对应于阴极处的在0.1到10A/cm²的数量级的电流密度。通常的技术使用如图1中那样的配线。工件夹具处于外部电位(例如DC电位)，或者工件夹具被留在等离子体的浮动电位。图1的现有技术设计包括将DC偏压施加到工件夹具。

标准HIPIMS技术具有多个缺点。当使用DC偏压来帮助限定衬底处的离子能量时，出现了在衬底上可能发生电弧放电(arcing)的缺点。在使用晶片处理时，衬底上的电弧放电将引起晶片损坏。另一个缺点在于DC偏压对于电绝缘表面也不起作用，电绝缘表面例如使用氧化材料的沟槽或通孔。

图2示出了实验结果。数据示出在现有技术HIPIMS放电中，所测量的电流上升时间作为频率的函数。该示例中的靶由钽(Ta)制成，并且靶具有300mm的直径，本实验中使用旋转磁体阵列。对于相对低的重复频率10Hz(100ms周期)，在电压脉冲的起始与电流上升的起始之间存在相对长的延迟(约5μs)。当使用100Hz(10ms周期)的重复频率时，延迟稍小(超过4μs)。对于相对较高的重复频率500Hz(2ms周期)，电流开始上升会快很多，在仅仅约1.5μs之内。

已经示出，通过使用被置于靶与衬底之间的线圈而使用射频(RF)感应耦合等离子体(ICP)的预电离有助于缩短在HIPIMS应用中的电流上升时间。然而，将庞大的ICP线圈置于磁控管与衬底之间使设计复杂化，增加了粒子形成的可能性，并且由于靶-衬底间距的增加而降低了沉积速率。

发明内容

以下给出本发明的简要概述，以便提供对本发明一些示例方面的基本理解。该概述不是本发明的详尽描述。此外，该概述并非意在于确定本发明的关键元素，也不意在描绘本发明的范围。此概述的唯一目的是以简化形式给出本发明的一些概念，作为下文中更详细描述的前序。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于以磁控管阴极上的0.1与10A/cm²之间的电流密度产生靶的溅射以在衬底上生成涂层的设备。该设备包括可操作地连接到磁控管的电源，并且至少一个电容器可操作地连接到电源。还提供了第一开关。第一开关可操作地将电源连接到磁控管以对磁控管进行充电，并且第一开关被配置为根据第一脉冲来对磁控管进行充电。电偏压装置被可操作地连接到衬底并且被配置为施加衬底偏压。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于以磁控管阴极上的0.1与10A/cm²之间的电流密度生成靶的溅射以在衬底上生成涂层的设备。该设备包括可操作地连接到磁控管的电源，并且至少一个电容器可操作地连接到电源。还提供了第一开关。第一开关可操作地将电源连接到磁控管以对磁控管进行充电，并且第一开关被配置为根据第一脉冲对磁控管进行充电。电偏压装置可操作地连接到衬底并被配置为施加衬底偏压。卡盘(chuck)可操作地连接到电偏压装置，其中衬底位于卡盘上。线圈可操作地连接到至少一个电容器。第二开关被可操作地连接以对磁控管进行放电并连接在沿着线圈的点。第二开关被配置为根据第二脉冲来对磁控管进行放电。至少一个检测器可操作地连接到磁控管，其中至少一个检测器被配置为检测正在形成的电弧。响应于通过至少一个检测器检测到电弧而控制第一开关和第二开关，以抑制(inhibit)电弧的形成。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于以磁控管阴极上的0.1与10A/cm²之间的电流密度产生靶的溅射以在衬底上生成涂层的设备。该设备包括电源，其可操作地连接到磁控管以对磁控管进行充电并且被配置用于管理到磁控管的第一脉冲。RF电偏压装置可操作地连接到衬底，并被配置为根据偏压脉冲对磁控管进行放电。同步装置可操作地连接到电源和电偏压装置。同步装置被配置为使第一脉冲的频率和时间延迟与偏压脉冲同步。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于在设备中施加衬底偏压的方法，所述设备用于以磁控管阴极上的0.1与10A/cm²之间的电流密度产生溅射以在衬底上生成涂层。该方法包括以下步骤：将第一脉冲施加到第一开关，以从电源对磁控管进行充电。该方法还包括以下步骤：从可操作地连接到衬底的电偏压装置施加衬底偏压。

附图说明

当参考附图阅读以下说明时，本发明的前述和其他方面对于本发明所属领域的技术人员将变得显而易见，在附图中：

图1是HIPIMS应用的现有技术示意图；

图2是图示出在典型脉冲期间现有技术中HIPIMS应用的电压和安培的曲线图；

图3是具有RF发生器的本主题发明的第一示例性示意图；

图4是图示出当RF关闭时在典型脉冲期间现有技术中HIPIMS应用的电压和安培的曲线图；

图5是图示出当低功率RF被用在图3的卡盘上时在典型脉冲期间HIPIMS应用的电压和安培的曲线图；

图6是图示出当相对较高功率RF被用在图3的卡盘上时在典型脉冲期间HIPIMS应用的电压和安培的曲线图；

图7是HIPIMS应用的示意图，其示出了当没有使用RF偏压时衬底的底部厚度；

图8是HIPIMS应用的示意图，其示出了当使用RF偏压时衬底的底部厚度；

图9是结合用于应用不同模式的两个开关来使用RF偏压的本主题发明的第二示例性示意图；

图10是用于图9的高频模式的示例性示意图；

图11是用于图9的主脉冲内多个次脉冲模式的示例性示意图；

图12是用于图9的脉冲预电离模式的示例性示意图；

图13是结合两个开关和电弧检测设计来使用RF偏压的本主题发明的第三示例性示意图；以及

图14是结合用于应用不同模式的两个开关和电弧检测设计来使用RF偏压的本主题发明的第四示例性示意图。

具体实施方式

包括本发明的一个或多个方面的示例在附图中被描述和说明。这些所说明的示例无意于限制本发明。例如，本发明的一个或多个方面能够被应用于其他实施例，甚至是其他类型的装置。此外，本文中所使用的特定术语仅仅是出于方便的目的，而并不作为对本发明的限制。另外，在附图中，相同的附图标记被用于指示相同的元素。

图3示出了本主题发明的第一示例性示意图。例如，本发明能够使用标准HIPIMS配线，例如图1中的配线，但此外，诸如RF发生器之类的电偏压装置10被连接到衬底14。例如，电偏压装置能够被连接到卡盘12，所述卡盘12支持衬底14。该第一示例能够包括含有阴极和阳极的磁控管、位于磁控管附近的靶(其中该靶被用来溅射原子以在衬底上生成涂层)、可操作地连接到磁控管的电源、可操作地连接到电源的至少一个电容器C、以及被可操作地连接以对磁控管进行充电并被配置用于管理到磁控管第一脉冲的第一开关S1。因此，图3的示例包含使用电偏压装置10(例如RF发生器)以及HIPIMS脉冲发生。在一个示例中，能够应用HIPIMS脉冲发生，其中磁控管阴极上的电流密度在0.1与10A/cm²之间。电流密度能够是面积平均值。在具有卡盘12的示例中，卡盘12能够是支持衬底14的晶片基座。该示例中的衬底14是晶片，但衬底也能够是用于其他应用的其他材料。磁控管与卡盘12之间的距离相对较小，并且一般在20mm到100mm之间。测试实验在50mm处进行。磁控管的一些磁场线(优选以非平衡磁控场的形式)到达卡盘12，其中磁场强度为至少10高斯。这样，磁约束提高了当磁控等离子体关闭时RF放电的稳定性。同时，在一个示例性方法中，脉冲之间的剩余RF放电用作HIPIMS放电的预电离。在图3的示例中能够通过第一开关S1来提供HIPIMS脉冲，该开关被可操作地连接以对磁控管进行充电并且被配置为根据第一脉冲来对磁控管进行充电。

在图3的进一步示例中，能够在电偏压装置10与卡盘12之间放置匹配单元16。匹配单元16被配置为使衬底和/或卡盘处的等离子体的阻抗与衬底的阻抗匹配。还能够使用匹配单元16的其他位置。在图3的另一个示例中，RF自偏压监视装置20能够被可操作地连接到卡盘。还能够使用监视装置20的其他位置。RF自偏压监视装置20被配置为监视卡盘处的RF自偏压。

结合被连接到卡盘12的电偏压装置10(例如RF发生器)通常会引起对HIPIMS脉冲的相对更快、更为稳定的激起(ignition)。当脉冲之间的时间延迟较短时，在脉冲之间所输送的用于对电容器进行充电的能量相对较小，并且电容器会具有较低的容量，这带来相对较小的尺寸和较低的成本。能够通过使用本主题发明的方法来提供具有相对较高频率的较短脉冲。

与DC偏压相比，使用诸如电容性RF偏压之类的RF偏压的另一个优点在于RF偏压通常降低或甚至消除了电弧放电以及衬底或晶片损坏。此外，RF偏压对诸如使用氧化材料的沟槽或通孔中的绝缘表面起作用。相对于ICP线圈，使用RF偏压的额外优点在于能够使用更短的靶-衬底距离，这是由于在磁控管与衬底之间不需要ICP线圈。此外，由于下述事实而产生了相对较高的沉积速率：更少部件在反应器中以及靶-衬底距离更短。

图4-6的曲线图说明了提供被连接到卡盘的诸如RF发生器之类的电偏压装置的益处。图4-6是通过使用具有阴极类型ARQ151的OerlikonClusterLine CL200而获得的。就这些示例性曲线图而言，靶由钽(Ta)制成，并且该靶具有300mm的直径。用作将被用于该设备的惰性气体的一个示例的氩气以大约25sccm(每分钟标准立方厘米)的气体流速被使用，并且在卡盘与衬底之间的气体流速为大致5sccm以实现对衬底的热控制。气体流速是被传输到容纳(house)靶和衬底的腔室中的气体量。通过真空泵(在该示例中为低温泵)的连续泵浦的效果引起了约6×10^-3mbar的稳态压力。在该示例性曲线图中的脉冲具有500Hz的频率、15μs的导通时间以及大约1400V的电压。因此，能够通过第一脉冲来施加该频率。

图4示出了说明在不使用诸如RF发生器之类的电偏压装置的情况下在典型脉冲期间现有技术中HIPIMS应用的电压和安培的曲线图。因此，图4是现有技术的示例并且示出了在HIPIMS脉冲期间用于电流上升的约10μs的典型延迟。仅仅在导通时间的最后5μs中，电流上升到约980A的峰值。

图5示出了说明当使用RF发生器来施加17W的相对较低功率RF负荷(load)(其中10V自偏压被用在图3的卡盘上)时在典型脉冲期间HIPIMS应用的电压和安培的曲线图。这里提到的RF功率负荷和自偏压是在若干脉冲周期范围内确定的时间平均值。当低功率RF被用在卡盘上时，脉冲启动(例如在第一脉冲期间)与电流开始上升之间的延迟要短得多，如其大为约1.8μs。与未使用RF时的980A的峰值相比，该示例中的电流上升到高得多的、约1580A的峰值电流值。在该实验的其他示例中，其他工作范围能够提供类似的结果。例如，自偏压为5V-50V的10W-50W的RF负荷会引起小于2μs的延迟，并且增加的峰值范围超过500A。

图6示出了说明当自偏压为103V的132W相对较高功率RF被用在图3的卡盘上(同样是按照时间平均来测量的)时在典型脉冲期间HIPIMS应用的电压和安培的曲线图。当相对较高功率RF被用在卡盘上时，脉冲启动(例如在第一脉冲期间)与电流上升开始之间的、用于电流开始上升的延迟甚至短于图5的较低功率RF应用中的延迟，如延迟大约为0.8μs。电流上升得相对较快，并且较高的RF功率通常产生约103V的相对较高自偏压电位。在该示例中电流的峰值大约是1500A。通过调节自偏压，轰击诸如晶片之类的衬底的离子能量现在能够被调整。因此，自偏压能够被调节以为衬底提供期望涂层。在此实验的其他示例中，其他工作范围能够提供类似的结果。例如，自偏压大于50V的大于50W的负荷会引起少于1μs的延迟。

提供RF功率还使得通过第一开关S1施加的HIPMIS脉冲能够以相对较低的压力范围启动。例如，在没有电偏压装置(例如RF发生器)的情况下仅仅以约15sccm的氩气流速执行的实验不能产生HIPIMS脉冲。对应于该流速的气压大约是3×10^-3mbar。然而，利用大于50W的RF功率，能够在相同的氩气流条件下产生HIPIMS脉冲。利用大于50W的RF功率，HIPIMS脉冲重复地启动。其他低压操作也是可能的，并且15sccm的氩气流仅仅是本主题发明的一个应用示例。大于50W的RF负荷也能够在小于20sccm的任何气体流速下出现。类似地，大于50W的RF负荷能够在各种气压下出现。在一个示例中，气压能够在约2×10^-4到5×10^-3mbar的范围中，相当于2×10^-2到5×10^-1Pa。

提供RF功率的另一个益处在于通过使用本主题发明获得了更好的靶的底部覆盖(coverage)。如示于图7和8中的实验的结果说明了提高的靶底部覆盖。在该实验中，钽(Ta)靶被用于沉积约180μm深和50μm宽的沟槽。图7示出了在没有使用RF偏压的情况下衬底上的覆盖结果。图7示出了底部厚度被测得为约251nm。此外，顶部厚度被测得为仅仅1.7μm，从而产生仅仅约15％的底部覆盖。在图8中示出了使用RF偏压的结果。这产生约410nm的底部厚度、2.0μm的顶部厚度，从而给出了提高的约21％的底部覆盖。衬底底部覆盖中所出现的提高是由于：靠近卡盘表面和衬底表面形成了RF鞘(sheath)。当靠近卡盘表面形成RF鞘时，其引起朝向衬底和卡盘的表面吸引电离的金属离子。结果，更多的离子变得朝向鞘运动以轰击表面和/或使得它们的角展度变得更窄。

本主题发明的示例性方法包括在用于产生溅射的设备中施加衬底偏压，其中脉冲被施加以在衬底上产生涂层。该方法中的一个步骤是将第一脉冲施加到第一开关，以从电源对磁控管进行充电。该示例性方法中的另一个步骤是从可操作地连接到衬底的电偏压装置施加衬底偏压。示例性方法还能够包括如下步骤：在第一脉冲期间确切地说在以第一脉冲模式发生的脉冲之间使用RF发生器的RF放电。在诸如HIPIMS脉冲之类的第一脉冲期间使用RF放电将获得用于磁控管放电的预电离。在本主题发明的另一个示例性应用中，RF功率能够被用来在沉积之前对衬底进行蚀刻和预清洁。对衬底的蚀刻，例如选择性溅射或溅射清洁最上层(诸如表面氧化物)，能够在关闭的闸板(shutter)下进行以避免污染靶。然后在闸板打开后衬底的沉积能够开始。在本方法的另一个示例性应用中，该方法能够进一步包括如下步骤：调节衬底偏压的电压以调整轰击衬底的离子能量，从而为衬底提供期望涂层。

在本主题发明的另一个示例性应用中，RF功率能够以脉冲的操作模式来施加。在该示例中，优选地使用高于200W(优选地500W到10kW峰值功率RF)的相对较高功率。在以脉冲的操作模式来运行RF时，设备能够与HIPIMS脉冲发生同步。在优选的操作中，RF脉冲能够首先被启动，然后HIPIMS磁控管脉冲能够通过使用第一开关S1而被施加。RF脉冲能够在HIPIMS电压脉冲关闭之前被关闭。可替换地，RF脉冲能够在HIPIMS电压脉冲关闭之后被关闭。在使RF功率与HIPIMS脉冲发生同步的示例中，设备能够包括磁控管、电源、RF电偏压装置10以及同步装置18。电源可操作地连接到磁控管以对磁控管进行充电，并且被配置用于管理到磁控管的第一脉冲。脉冲电源能够包括第一开关，其可操作地将电源连接到磁控管，其中第一开关被配置用于管理到磁控管的第一脉冲。其他结构也能够被用来施加第一脉冲。RF电偏压装置被可操作地连接到衬底，并且被配置为根据偏压脉冲对磁控管进行放电。同步装置18被可操作地连接到电源和电偏压装置10，如图3的示例中可见。同步装置18被配置为使第一脉冲的频率和时间延迟与偏压脉冲同步。例如，第一脉冲的频率和时间延迟能够根据不同类型的偏压脉冲而被以不同方式改变。在进一步的示例中，电源被配置为用于管理对磁控管的第一脉冲，第一脉冲的占空比在约0.01％与20％之间而频率在约1Hz到20kHz的范围内。在另一其他示例中，电源被配置为用于管理到磁控管的第一脉冲，第一脉冲的占空比在约2％与50％之间。在另一示例中，同步装置能够被配置为在第一脉冲被管理之前管理偏压脉冲，其中时间延迟为约0.1μs到500μs。

在第二示例中，提供电偏压装置10的本主题发明的方法和装置能够与两个用于施加可变模式的开关相结合，可变模式包括HIPIMS和高频HIPIMS模式，如图9中可见。诸如RF发生器之类的电偏压装置10可操作地连接到衬底14，例如连接到支持衬底14的卡盘12。在该设计中，图9的本主题发明的示例包括第一开关S1和第二开关S2。第一开关S1被可操作地连接以对磁控管进行充电，并且被配置为管理第一电压并且能够根据第一脉冲来对磁控管进行充电。第二开关S2被可操作地连接以对磁控管进行放电，并且能够被配置为根据第二脉冲来对磁控管进行放电。在该示例中还提供了电感，并且该电感被可操作地连接到至少一个电容器。该示例中的电感是线圈L，不过可以理解的是其他结构也能够用来提供电感。线圈L限制了磁控管放电电流上升的斜率。线圈L还限制了电弧发生时的峰值电流。

存在着使用图9示例的若干操作模式。在示于图10中的图9示例的一个操作模式中，用于第一开关S1的脉冲形式-第一脉冲具有高频。针对该高频模式，图10的示意图中示出了用于第一开关S1的第一脉冲和第二开关S2的第二脉冲的示例性脉冲形状。图10的高频模式也能够不同水平上来操作，包括200Hz-100kHz(优选示例出现在1kHz-20kHz)的高频脉冲操作。具有较低功率损耗的相对低效占空比(0.1％-10％)也能够在该模式下获得。0.2μs-100μs的导通时间(时间周期t₁-t₀)能够在该示例中使用，其中优选示例出现在从2μs到40μs。

高频模式能够开始于在时刻t₀将充电电容器C连接到线圈L。应该理解的是，充电电容器能够是至少一个电容器，并且附图能够是指多个电容器。在延迟时间(t₂-t₀)之后，在时刻t₂激活开关以使之打开激起了等离子体。存储在线圈L中的能量能够引起几乎立即在磁控管阴极上发生的电压过冲并且引起磁控管电流的相对较快的上升时间，如图10的示例所示。磁控管放电电流在时刻t₁(S1断开)和t₃(S2导通)之间衰减。时刻t₃能够从t₁之后短时间以及相对长时间(包括时段的剩余部分)中选择。在图10的示例性模式中的每个第一脉冲都开始于电压过冲并且在相同初始时间段(t₂-t₀)期间具有相对快的电流上升。通过使得用于为电容器C充电的第一开关S1具有相对长的断开时间来达到能量有效性。该时间段通过t₀发生前的时段来示出。初始时间段(t₂-t₀)相对较短并且被用于在线圈L中存储能量。当在第二脉冲激活第二开关S2之前激活第一开关S1以在线圈L中存储能量时，经过了相对短的时间。第二开关S2的激活引起磁控管的放电。从时刻t₀到t₁电容器C的充电加载(load)线圈L，并且发生磁控管的电流放电。特别地，磁控管放电从时刻t₂到t₃发生。从时刻t₁到t₃，来自线圈L的剩余能量被放电到磁控管。

图9示例的第二操作模式被示于图11中。在该模式中，第二脉冲运用了形成于第一脉冲的一个主HIPIMS脉冲内的多个次脉冲。第一脉冲能够是单个相对长的脉冲以管理磁控管的电压，并且第一脉冲通过在时间段t₁-t₀期间使用第一开关S1而形成。第二脉冲能够是多个次脉冲，或一系列较短的次脉冲，它们于是在第二开关S2处形成，如图11中的模式示例中所示。图11的模式能够被以不同水平来操作，包括1Hz-10kHz的主频率(优选示例出现在10Hz到1kHz之间)。第一脉冲的占空比(0.1％到10％)能够被用在该模式中。在该模式中，能够使用0.2μs到100μs(优选为2μs到20μs)的导通时间(t₁-t₀的时间段)。第二脉冲导通时间(等于Δt_on的时间段t₃-t₂)能够从0.2μs到100μs，优选示例为2μs到20μs。类似地，第二脉冲断开时间(时间段Δt_off)能够是0.2μs到100μs，优选示例为2μs到20μs。存在该模式的很多示例，如第二脉冲占空比能够具有大范围值。例如，第二脉冲占空比(Δt_on)/(Δt_on+Δt_off)能够从30％到99％变动。因此，应该意识到很多不同类型的脉冲配置能够被设计，包含第二脉冲的不同类型常数和变化的时间段。例如，甚至Δt_on能够在S1的单个主HIPIMS脉冲之内的每个第二脉冲期间具有不同的时间量。

在图11的第二模式示例的操作期间，时间段t₁-t₀被用于对电容器C进行充电、加载线圈L以及对磁控管的电流进行放电。第二脉冲确切地说第一次脉冲能够以开关S2打开时的适当延迟作为开始。在时刻t₀-t₂期间，电容器C的充电仅仅加载线圈L。存储在线圈L中的能量能够引起磁控管阴极上的电压过冲，并且引起磁控管电流相对较快的上升时间。然后第二脉冲能够通过使S2打开和闭合来运用较短脉冲的序列。第二脉冲内的每个脉冲能够开始于电压过冲和相对快速的电流上升。特别地，每当S2被导通时，磁控管放电从时刻t₂-t₃发生。在时间段t₁-t₃期间，来自线圈L的能量被放电至磁控管。在第二脉冲的次脉冲系列结束时，磁控管放电电流在时刻t₁(此时开关S1被断开)后衰减，直到存储在线圈L中的剩余能量被放电。在t₀之前的开关S1的断开时间期间，电容器C被充电并且等离子体密度在没有任何能力输入的情况下衰减。

图9的第三操作模式被示于图12中。该模式能够被称之为脉冲的预电离模式。该模式是图10的第一模式与图11的第二模式的交替序列，其中第二脉冲的多个次脉冲根据图10的模式在作为主HIPIMS脉冲的第一脉冲之内形成。这样，存在与第二脉冲内的第一模式类似的脉冲，其能够被在开关S1的第一脉冲期间使用，以通过仍使平均放电功率保持较低来确保等离子体密度的衰减不会太快。因此，该示例性模式能够被看成是组合前两个示例性模式的元素。在图12示例中，在S 1曲线中，第一长脉冲对应于根据第二操作模式的脉冲，而三个后续脉冲涉及第一模式即“高频”操作模式(见图10)。两个模式之间的比率能够根据技术需要来选择。因此，在一个示例中，第一脉冲和第二脉冲能够在第一模式(图10)和第二模式(图11)之间周期性地改变。图12的模式能够通过与第一模式属性交替的第二模式频率(“主频率”)而被相应地表征，如前所述。第一脉冲的主频率在两个模式中任一模式中能够是1Hz-10kHz，优选示例发生在10Hz-1kHz之间。在一个模式中，能够使用0.2μs到100μs(优选为2μs到20μs)的导通时间(t₁-t₀的时间段)。在第一脉冲关闭时间期间的第二脉冲的次脉冲导通时间能够是0.2μs到10μs，优选示例在1μs到5μs之间。在该模式下，第一脉冲的占空比能够在0.1％与10％之间。存在着两种模式中任一模式的许多示例，如在第一开关S1断开时间期间，第二脉冲的次脉冲占空比能够具有大范围的值。例如，在断开时间期间第二脉冲的次脉冲占空比(Δt_on)/(Δt_on+Δt_0ff)能够从0.01％到20％变动。此外，能够在第二脉冲之内使用其他类型的脉冲，它们不同于在第一示例性模式中的元素。

图10-12的每一个示例能够被用作一种在用于产生溅射的设备中施加衬底偏压的方法，其中电压脉冲被施加以在衬底上产生涂层。在该示例性方法中，第一脉冲被施加到第一开关以从电源对磁控管进行充电。示例性方法还包括以下步骤：从可操作地连接到衬底的电偏压装置施加衬底偏压。在该示例性方法中，第一脉冲能够包括图10-12的示例。诸如RF发生器之类的电偏压装置被可操作地连接到衬底，并被配置为施加衬底偏压。

不论实现具有高压、高电流、相对快速开关的额外电子设备的技术复杂程度如何，如在图9的第一示例中的那样，本主题发明本身的发生器能够较小、较便宜和较快速。当脉冲之间的时间延迟较短时，在脉冲之间被输送的用于对电容器充电的能量相对较小，并且电容器能够具有相对更低的容量，这引起相对较小的尺寸和较低的成本。线圈L的转换效果允许使用电源中的低压。因此，电源的成本能够得以降低。此外，较小的电容器使得调整反馈回路的延迟较小。

每个优点都有助于可靠的、可重复的、没有电弧的过程，它们是对粒子敏感的衬底的短处理(200ms到10分钟)的关键特征，上述处理例如处理半导体晶片、薄膜磁头、MEMS、光学数据存储、磁数据存储媒体、或纯平面板显示器。本主题发明的其他优点涉及当斩波器开关S2导通时斩波器断开时间的有益效果。当被可操作地连接在沿着线圈L的点时，开关S2能够被用作斩波器开关。在斩波器断开时间期间，当开关S2没有被连接时，靶电压切换到正值。一些来自等离子体的电子终止于靶上并且等离子体电位达到正值。存在于鞘、预鞘以及等离子体中的离子现在从靶朝向衬底和壁被加速。单独脉冲的效果依赖于脉冲关闭时间和靶电压。最终效果部分依赖于重复频率。效果还依赖于开关S2沿线圈L的接触点。该接触点能够被称为抽头。存在于线圈L磁控管端与抽头之间的更多绕组引起更高的电压转换效果、在关闭期间靶上更高的正电压、以及更高的离子能量和来自接近靶区域的离子的相对更快的消耗。

使用包括RF偏压和开关方法的第二示例来进行薄膜沉积的方法能够被用来在处理前端半导体晶片中沟槽和通孔的金属化。对于直通/晶片通孔，该方法还能够被用于硅中深孔的一般金属化、润湿或种子层。例如，第二脉冲和沿着电感线圈的第二开关的位置这二者能够被调节以为衬底提供期望涂层并在衬底上形成一个或多个层。附加层的示例能够是润湿层或种子层。该方法还能够被用于通过斩波器关闭时间和/或线圈抽头的位置来优化沟槽和/或通孔中的底部和/或侧壁覆盖。在另一个示例中，方法能够被用于通过调节斩波器关闭时间和/或线圈抽头的位置来优化到衬底的离子流。还能够通过调节第二脉冲的关闭时间(即斩波器关闭时间)和/或调节第二开关沿着电感线圈的位置来优化沉积速率。因此，对于许多应用所期望的不同的和相对较高的沉积速率能够被获得。使用具有更多可通断抽头的线圈(例如其中开关S2的接触点能够被调节的线圈)或改变线圈L会帮助找到用于设备的最佳水平。这样的效果能够被用来优化到衬底的离子流以及离子能量。半导体晶片或衬底上其他结构中的沟槽和通孔的底部和侧壁覆盖也能够被优化。此外，连同脉冲发生一起使用RF发生器的方法能够被用来通过调节第二脉冲(即，斩波器关闭时间)和/或调节线圈抽头的位置(例如调节沿电感线圈的第二开关)来优化薄膜应力、微结构、机械属性、电性能、光学属性以及涂层的其他属性。

与DC磁控溅射相比，在HIPIMS应用中较低特定速率的上述缺点能够部分地通过本主题发明的脉冲发生方法而得以补偿。当斩波器导通时间的持续期间与跨过靶鞘和预鞘的离子飞行时间(在约0.2μs到5μs的范围内)是可比的时，可以限制离子化溅射粒子的很大部分被拉回到靶。通过斩波器关闭时间在离子到达靶之前产生反向电场以及加速，能够抑制粒子被拉回到靶。

在第三示例中，本主题发明的方法和装置能够与电弧检测设计结合，如图13中所见。电偏压装置10可操作地连接到衬底14，例如连接到支持衬底14的卡盘12。基本思想是：在当电弧正在形成或开始形成时检测到电弧之后，阻止或抑制在靠近磁控管阴极的位置处形成电弧。图13的示例包括至少一个检测器。检测器能够是计量器，例如电压表(V)或安培表(A)。在其他示例中，检测器能够是一个监视安培、伏特或多个指示器以检测电弧形成的装置。在图13的示例中，两个检测器，电压表(V)或安培表(A)被放置得非常接近于磁控管并被可操作地连接到磁控管。电压表(V)或安培表(A)被配置为用于检测正在形成或开始形成的电弧。应该意识到的是：在其他示例中仅仅一个检测器被提供，并且在其他示例中更多检测器能够被提供在各种位置，包括在非常接近于磁控管的位置。当提供一个检测器时，它能够是电压表或安培表，其被配置为检测正在形成的电弧。图13的示例还能够包括含有阴极和阳极的磁控管、位于磁控管附近并被用于溅射原子以在衬底上产生涂层的靶、被可操作地连接到磁控管的电源、被可操作地连接到电源的至少一个电容器C、以及被可操作地连接以对磁控管进行充电并被配置为根据第一脉冲来对磁控管进行充电的第一开关S1。电源能够是DC电源。

在图13的示例中第二开关S2被置于磁控管阴极附近。第二开关S2被可操作地连接以对磁控管进行放电，并被配置为对磁控管进行放电并且当通过至少一个检测器检测到电弧形成时抑制电弧的形成。第二开关S2通常是打开的并考虑到脉冲发生操作。当电弧被检测到时，第二开关S2导通并且在磁控管阴极和阳极之间形成有效快捷通路(shortcut)。在第二开关S2形成快捷通路的同时，第一开关S1断开。可替换地，当第二开关S2被导通以形成能量的快捷通路时，第一开关S1能够在第二开关S2被激活之前或之后的短时间内被导通。因此，还能够响应于通过至少一个检测器检测到电弧形成而控制第一开关S1。能够控制开关S1，以抑制或限制电弧的形成。除了第二开关之外控制第一开关提供对设备中能量的额外控制。诸如线圈L之类的电感也能够与图13的示例(电弧检测示例)一起使用，其中线圈被可操作地连接到至少一个电容器C，并且线圈被配置为限制磁控管放电电流的上升时间以及限制在电弧出现时的峰值电流。

在第四示例中，本主题发明的方法和装置能够与高频HIPIMS中的相对快速开关电源以及与相对快速的电弧抑制设计相结合，如在图14中所见。除了示于图13的方案以外该示例使用线圈L2，其能够包含被连接在沿线圈L的点以产生斩波器效应的开关S2。在该示例中，开关S2被配置为管理第二脉冲，并且还被配置为当通过设备中的至少一个检测器检测到电弧形成时被激活以抑制电弧的形成。在图14中，电源将一堆(a bank of)电容器C充电至启动电压，其通过具有一定电感L_cab和电阻R_cab的线缆而被放电到磁控管。电源能够是DC电源。在HIPIMS操作期间，线圈L2具有与现有技术设计类似的功能，即限制磁控管放电电流的上升时间。图14中的线圈L2还限制了电弧发生时的峰值电流。图14的示例还能够包括含有阴极和阳极的磁控管、以及位于磁控管附近并被用于溅射原子以在衬底上产生涂层的靶。图14包括测量电流和电压的电弧检测设备，如所示出的，不过在其他示例中仅仅需要一个检测器来测量电弧。在检测到电弧(优选直接在阴极处检测以最小化时间延迟)后，开关S2导通并沿着线圈L2的开关S2被连接在的点与磁控管阳极之间形成有效快捷通路。电弧形成的检测激活了第二开关S2，以抑制电弧的形成。因此，所述检测通过使得设备对检测到电弧形成或开始形成做出反应而降低了电弧的有害影响。这引起磁控管阴极上电压为零的时间甚至更短，零电压后跟随着通过线圈L2的自动变换效应的正电压。快捷通路帮助相对更快地消除电弧。

图14的示例还被配置成提供针对图9所讨论的脉冲形成方法，其中第一开关S1根据第一脉冲对磁控管进行充电而第二开关S2根据第二脉冲对磁控管进行放电。用于图9的三种示例性模式中的任何一个都能够与图14的两个开关一起使用。此外，该示例还包括用于卡盘12和衬底14的RF发生器10。

已参考上述示例性实施例对本发明进行了描述。当阅读和理解本说明书时，其他人将会想到改进和修改。包括本发明一个或多个方面的示例性实施例意在包含所附权利要求范围之内的所有这样的修改和变形。