理解電弧能的測(cè)量、對(duì)比和控制方法

隨著薄膜產(chǎn)品對(duì)品質(zhì)和性能指標(biāo)要求的增加，現(xiàn)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(dǎo)致的損壞。對(duì)于大多數(shù)等離子體工藝而言，識(shí)別、測(cè)量和限制打弧發(fā)生期間傳輸?shù)降入x子體內(nèi)的能量大小一直是需要考慮的最重要因素之一。

本文列出了常見電弧事件的電氣特性，描述了可重復(fù)測(cè)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減少電弧發(fā)生時(shí)傳輸?shù)焦に囍?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/電弧能">電弧能量的技術(shù)，并給出支持這些技術(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

01. 簡(jiǎn)介

現(xiàn)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)出增大意味著需要提高沉積速率或者增加沉積面積。這都意味著要增加工藝功率。隨著工藝功率的增加，電弧數(shù)量和每個(gè)電弧的能量也會(huì)增加。如Christie所示[1]，缺陷顆粒大小隨著電弧能量增加而增加。這會(huì)導(dǎo)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(cè)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(zhàn)。本文列出常見電弧事件的電氣特性，說明可重復(fù)測(cè)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(zhuǎn)雙陰極磁控管濺射室采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

電弧剖析

等離子體工藝存在許多電弧產(chǎn)生機(jī)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(duì)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始流向電弧位置。

圖 1-電弧階段和電源響應(yīng)

另外，該電流回路將會(huì)持續(xù)至局部阻抗/電流密度關(guān)系達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。處于打弧狀態(tài)的電弧會(huì)分流工藝能量，導(dǎo)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開始時(shí)，電弧位置的局部阻抗劇降，電源測(cè)量到的輸出阻抗下降。根據(jù)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(wěn)態(tài)條件

在階段II，電弧已經(jīng)接近穩(wěn)態(tài)阻抗，弧將在穩(wěn)態(tài)的電壓和電流下無限期 “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(yīng) 

在階段III，電源開始響應(yīng)電弧。采用先進(jìn)電弧處理技術(shù)的電源會(huì)關(guān)閉輸出，通過施加高反向電壓，主動(dòng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移電路中儲(chǔ)存的附加能量，通常是電纜中的能量。階段III持續(xù)，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，沒有附加能量被施加到工藝中。關(guān)閉階段需要足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以確保兩個(gè)過程發(fā)生。首先，電弧位置的熱能需要逸散。其次，在反應(yīng)過程中，電弧位置可能需要重新積累絕緣中毒層。

若關(guān)閉持續(xù)時(shí)間不當(dāng)，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(zhǎng)，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)間不要過長(zhǎng)，以至于影響工藝穩(wěn)定性或薄膜性能。

電弧第5個(gè)階段的特征

階段V：過程恢復(fù)

關(guān)閉階段結(jié)束后，電源開始重新輸出。根據(jù)工藝條件的不同，電弧恢復(fù)過程由電源自動(dòng)處理。如果工藝的電弧速率高或者電弧恢復(fù)期間的等離子體不穩(wěn)定，可以調(diào)整電源，重新更有效地輸出。

測(cè)量電弧能

測(cè)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(shù)值相乘，計(jì)算瞬時(shí)功率。另外對(duì)前4個(gè)電弧階段進(jìn)行積分，計(jì)算焦耳單位的電弧能。盡管同一方法適用于多數(shù)等離子體工藝，但實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)差異會(huì)導(dǎo)致測(cè)量差異較大。例如，作者采用保守方法，通過測(cè)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(cè)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(cè)量值。其它因素，例如試驗(yàn)設(shè)備，也會(huì)導(dǎo)致電弧能測(cè)量產(chǎn)生差異。為了可靠地對(duì)比電弧能數(shù)據(jù)，必須小心確保實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將測(cè)量技術(shù)的差異降至最低。

設(shè)置一致性、測(cè)量位置和工藝對(duì)于結(jié)果是否可重復(fù)很關(guān)鍵。因?yàn)檩敵鲭娎|儲(chǔ)存能量，其類型、長(zhǎng)度甚至布局都會(huì)影響電弧能。測(cè)量腔室端的電弧能（圖2-端子1），與測(cè)量電源輸出端得到的結(jié)果不同。

圖 2-電弧能測(cè)量設(shè)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(jì)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(cè)量值，計(jì)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

通過集成示波器光標(biāo)間的電源波形，計(jì)算測(cè)量電弧能，該數(shù)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(dǎo)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(nèi)的能量。

為確保測(cè)量的可重復(fù)性，作者選擇在階段I，腔室電壓下降至工藝電壓的90%以下開始積分（t1），同時(shí)在電源輸出關(guān)閉時(shí)間已結(jié)束時(shí)結(jié)束（t2），積分直至階段IV結(jié)束的能量。它構(gòu)成直至電弧結(jié)束時(shí)的整個(gè)儲(chǔ)能耗散，為腔室和工藝間的對(duì)比提供更一致的標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)槟承┕に嚠a(chǎn)生很大的電弧差異，應(yīng)該記錄多電弧事件并求其平均值。

測(cè)量電弧能的最重要工具是示波器?，F(xiàn)在的許多數(shù)字示波器會(huì)進(jìn)行乘法運(yùn)算，對(duì)時(shí)間光標(biāo)間的能量進(jìn)行積分。所有試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)置都應(yīng)該小心。確保已根據(jù)相關(guān)制造商規(guī)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(dǎo)致電弧能測(cè)量值出現(xiàn)較大誤差。

通常將電弧能歸一化為功率的函數(shù)（毫焦/千瓦），用于對(duì)比和規(guī)范。但應(yīng)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(duì)能量（焦耳），同時(shí)降低歸一化的電弧能（毫焦/千瓦）。

02. 實(shí)驗(yàn)裝置

使用1.5米雙旋轉(zhuǎn)陰極進(jìn)行反應(yīng)磁控濺射實(shí)驗(yàn)，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(cè)量腔室連接處的電流和電壓波形（圖2標(biāo)示端子1）。在測(cè)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(dú)立改變?nèi)齻€(gè)不同的電弧處理參數(shù)，記錄電弧能量，確定它們各自對(duì)電弧能的影響。可以隨時(shí)調(diào)節(jié)電源中的這3個(gè)參數(shù)。第一個(gè)參數(shù)-電弧電壓閥值，這是電源發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生電弧時(shí)的電壓，通常設(shè)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(shù)-反向電壓，它是電弧反應(yīng)期間施加在電源輸出處的電壓。反向電壓的極性被設(shè)置為與產(chǎn)生電弧時(shí)的工藝電壓反相，強(qiáng)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(shù)-持續(xù)時(shí)間，它是電源開始響應(yīng)前、電弧必須存在的時(shí)間。持續(xù)時(shí)間也被稱作檢測(cè)時(shí)間，在4ns和2000ns之間。其他參數(shù)，如功率設(shè)定值和頻率等被設(shè)置以誘發(fā)足夠的電弧密度，用以捕獲電弧事件。為了捕獲基線數(shù)據(jù)，使用了以下參數(shù)：

03. 結(jié)果

對(duì)于鋁和硅磁控管，圖4和圖5中繪出電弧能測(cè)量值的基線設(shè)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(cè)量技術(shù)的電弧能分布

對(duì)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(cè)試期間，發(fā)現(xiàn)分布出現(xiàn)變化以及若干因素對(duì)電弧能測(cè)量特別靈敏。發(fā)現(xiàn)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(duì)結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。盡管靶處于真空中，但在測(cè)量前先持續(xù)燒靶改善了電弧測(cè)量變化，表明靶和材料溫度影響電弧能。測(cè)量設(shè)備也產(chǎn)生了影響。使用150A直流電流探頭測(cè)試，因內(nèi)部發(fā)熱而導(dǎo)致隨時(shí)間漂移。將60A工藝改為500A直流探頭后，解決了所有漂移問題。使用設(shè)定剛超過工藝值的電流觸發(fā)閥值，可能導(dǎo)致早期結(jié)果扭曲，這是由于忽略較低峰值電流的電弧導(dǎo)致的，從而電弧能分布加寬。為了捕獲更好的事件隨機(jī)采樣并消除測(cè)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(cè)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(cè)得的弧能。在圖7中，通道1是腔室電壓，通道2為腔室電流，F(xiàn)2是輸出至腔室的能量積分。若電源檢測(cè)時(shí)間或者被動(dòng)響應(yīng)較長(zhǎng)，來自階段II和III的電弧能部分明顯更高，導(dǎo)致總能量較高。

電弧電壓檢測(cè)閥值

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：將電弧電壓檢測(cè)閥值增加至接近濺射電壓時(shí)可提高電弧反應(yīng)時(shí)間，減少階段II電弧能。在這些實(shí)驗(yàn)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(cè)閥值的函數(shù)的電弧能

這符合預(yù)期，因?yàn)樵黾与妷洪y值導(dǎo)致階段I更早檢測(cè)到電弧，在濺射電壓75%與15%處觸發(fā)時(shí)典型可節(jié)省檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)400ns。階段I通常提供輸出能量的60%至70%?？紤]到檢測(cè)閥值時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)10%至20%的電弧能下降。重要的是平衡電弧能與因檢測(cè)到假電弧而導(dǎo)致的工藝不穩(wěn)定性。

持續(xù)時(shí)間

圖9顯示作為弧能對(duì)電弧持續(xù)時(shí)間的函數(shù)。若持續(xù)時(shí)間小于500ns，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間決定總電弧能。若持續(xù)時(shí)間超過500ns，檢測(cè)延遲將開始決定電弧響應(yīng)，電弧能明顯增加。在正常工藝運(yùn)行期間，可將持續(xù)時(shí)間用作避免假電弧的預(yù)防措施，特別是存在高電壓波動(dòng)工藝中。通?？墒褂瞄L(zhǎng)達(dá)500ns的持續(xù)時(shí)間而不會(huì)影響電弧能。與電弧電壓檢測(cè)閥值類似，最佳持續(xù)時(shí)間設(shè)置需要在最小假電弧響應(yīng)與最小電弧能之間取得平衡。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：在SiOx靶上，若持續(xù)時(shí)間在500ns和1000ns之間，可明顯增加了階段II的能量。根據(jù)工藝要求的不同，有時(shí)將持續(xù)時(shí)間調(diào)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(yīng)氣體燒掉磁控管上的雜質(zhì)。持續(xù)時(shí)間提供一種便捷的工具，可有預(yù)謀地增加電弧能。

圖 9-作為持續(xù)時(shí)間的函數(shù)的電弧能

反向電壓

對(duì)于AlOx和SiOx，反向電壓增加導(dǎo)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(shì)。在階段III期間施加反向電壓，更高數(shù)量級(jí)的電壓反轉(zhuǎn)可縮短階段III時(shí)間。由于以下關(guān)系，反向電壓對(duì)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?yàn)榉聪螂妷海琇是電纜和工藝電感，di是降至0安培的工藝電流。

圖 10-作為反向電壓的函數(shù)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(zhǎng)度決定，其大小也將影響電弧能。盡管輸出電纜并非可調(diào)參根據(jù)選擇的電纜不同，電源參數(shù)的影響也會(huì)發(fā)生改變。測(cè)試各種長(zhǎng)度和類型的電纜，顯示電纜特性對(duì)電弧能的影響。對(duì)比了7.5米的三同軸、20米的三同軸和4.5米的雙絞線電纜，重復(fù)圖11所示持續(xù)時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。電纜類型及其長(zhǎng)度是對(duì)輸出電弧能極其敏感的參數(shù)。這是因?yàn)殡娎|的能量?jī)?chǔ)存特性導(dǎo)致，特別是電纜自感和電纜電容。在測(cè)試的所有參數(shù)中，電纜類型和長(zhǎng)度對(duì)電弧能的影響最大。

圖 11-電纜輸出對(duì)電弧能的影響

04. 結(jié)論

從形成到恢復(fù)的整個(gè)電弧過程，可以分為5個(gè)明確階段。電弧形成和輸出電弧能出現(xiàn)在階段I和II，而反轉(zhuǎn)、關(guān)閉和恢復(fù)出現(xiàn)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(shè)置，多數(shù)電弧能在階段1輸出。

測(cè)量電弧能時(shí)，可能會(huì)難于生產(chǎn)可重復(fù)的結(jié)果。需要小心測(cè)量位置、所用設(shè)備、系統(tǒng)設(shè)置、布線、材料和電弧參數(shù)，因?yàn)樗鼈兌紩?huì)影響輸出至電弧的能量。對(duì)比電弧測(cè)量結(jié)果時(shí)，重要的是切記這些考慮，使用一致的測(cè)量技術(shù)。

因?yàn)檫@三個(gè)電源參數(shù)在實(shí)驗(yàn)期間會(huì)變化，都影響輸出電弧能。長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間對(duì)輸出至電弧的能量所產(chǎn)生的影響最大。電弧電壓檢測(cè)閥值應(yīng)該在更快檢測(cè)電弧和避免假檢測(cè)之間取得平衡。

在階段III期間，增加反向電壓后，通過將來自電弧的能量轉(zhuǎn)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(shù)也影響電弧能。靶材料和輸出電纜選擇對(duì)電弧能有重要影響。實(shí)驗(yàn)顯示：使用4.5米雙絞線比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(dǎo)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(xù)成為重要內(nèi)容。隨著質(zhì)量和性能指標(biāo)以及等離子體電源技術(shù)的進(jìn)步，電弧能將持續(xù)下降。使用本文所列技術(shù)，工藝工程師能夠理解、測(cè)量和降低輸出至電弧的能量，以優(yōu)化結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

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https://www.advancedenergyblog.com/solutions/thin-films/magnetron-arcing-considerations-large-area-coating/

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來源： Advanced Energy