磁控溅射沉积氮化硅薄膜的高压电源功率波形调制影响
氮化硅薄膜因其优异的绝缘性、化学稳定性和机械硬度，在半导体器件、光学涂层及保护性镀层中应用广泛。采用反应磁控溅射技术沉积氮化硅，通常以硅为靶材，在氩气和氮气的混合气氛中进行。这一过程伴随着复杂的等离子体化学反应，薄膜的成分、结构、应力及沉积速率强烈依赖于等离子体状态。近年来，随着对薄膜性能要求的提升，对溅射电源的输出控制不再局限于传统的直流或简单脉冲模式，而是发展到对输出功率波形进行精细调制，这为优化氮化硅薄膜的沉积工艺开辟了新的维度。
功率波形调制，指的是通过控制高压电源的输出，使施加在靶材上的电压和电流（进而功率）按照预设的时序和形态变化，而不仅仅是恒定的平均值。常见的调制波形包括不对称双极脉冲、中频脉冲串、以及更复杂的功率斜坡与周期性的功率猝发。对于氮化硅这种反应溅射沉积，功率波形的影响是多方面的，其核心在于改变了靶面状态、等离子体化学活性物种的生成以及粒子到达基片时的能量分布。
首先，调制波形直接影响靶面清洁与“中毒”的动态平衡。在纯氩气中，硅靶溅射正常；一旦通入氮气，氮原子会与靶面硅原子反应生成氮化硅化合物层，导致靶面“中毒”，溅射产额下降，靶电压升高。传统的直流模式容易使靶面陷入中毒-清理的循环不稳定状态。采用不对称双极脉冲调制时，电源在负半周进行溅射，在正半周则短暂地将靶材转为阳极，吸引电子中和靶面累积的正电荷，并可能通过轻微的离子轰击辅助清除部分非导电的氮化硅层，从而将靶面维持在一种“半中毒”的稳定状态，这对于保持稳定的溅射速率和等离子体阻抗至关重要。脉冲的频率和正负电压比例是关键参数，需要通过实验优化以获得最佳的稳定沉积窗口。
其次，功率波形调制能够改变等离子体中的活性氮物种浓度和能量。在脉冲功率的关断期或低功率期，高能电子的数量减少，这可能会影响氮分子的离解和激发过程，从而改变等离子体中原子氮与分子氮离子的比例。而原子氮是形成化学计量比氮化硅的关键。通过调整脉冲的占空比和重复频率，可以调控等离子体的电子温度分布，进而影响反应路径，这对于控制薄膜的氮硅比、减少未反应的硅悬键，从而获得低吸收、高密度的优质氮化硅薄膜具有潜在意义。
再者，调制波形影响到达基片的粒子能量。在脉冲开启的瞬间，由于等离子体点燃过程的特性，离子能量可能有一个短暂的峰值。而在脉冲平顶阶段，能量分布则相对稳定。这种随时间变化的能量注入，会影响薄膜生长过程中的表面迁移、缺陷填补和应力演化。例如，采用低频高功率的猝发模式，可能在每个猝发周期内实现一次高能粒子轰击，打断柱状晶生长，促进形成更致密的非晶结构，这对于改善氮化硅薄膜的屏障性能和抗腐蚀性可能有益。同时，平均功率相同的条件下，不同的调制方式会导致基片温升不同，而温度是影响氮化硅薄膜应力和折射率的重要因素。
实现这些复杂的功率波形调制，要求高压电源具备高度的可编程性和快速动态响应能力。电源的控制系统需要能够生成并精确跟踪复杂的电压-电流波形设定点，同时实时监测靶电压和电流的反馈，以确保波形在动态变化的等离子体负载下不失真。电源的带宽需要足够宽，以支持快速的功率切换。此外，为了研究波形的影响，电源往往需要与等离子体发射光谱仪、石英晶体膜厚监控仪等设备同步，以便将特定的电学调制参数与实时的等离子体化学信息及薄膜生长速率关联起来。
因此，研究磁控溅射沉积氮化硅薄膜时高压电源功率波形调制的影响，是一个典型的交叉学科课题。它需要将电力电子、等离子体物理与薄膜材料科学的知识相结合。通过系统性地改变和优化功率波形参数，并关联分析薄膜的各项性能指标，可以建立起“电源调制参数-等离子体状态-薄膜特性”之间的定量或半定量关系，从而将高压电源从一个简单的能量供给设备，提升为一个能够主动调控薄膜生长微观过程的精密工具，为实现高性能氮化硅薄膜的可控制备提供强有力的工艺手段。
