镀膜脉冲电源负偏压清洁功能

在物理气相沉积、特别是磁控溅射镀膜工艺中，为基片施加一个直流或脉冲负偏压，是改善薄膜致密度、附着力、应力及晶体取向的关键技术。然而，在长时间的镀膜过程中，特别是反应溅射或使用合金靶材时，不仅薄膜在基片上生长，也会有少量材料沉积在施加偏压的基片台（或偏压电极）及其周围绝缘部件上。这种寄生沉积会改变电极表面状态，影响电场分布，并可能导致两个严重问题：1) 电弧放电：沉积层不均匀或存在缺陷，在强电场下易引发微电弧，破坏工艺稳定性，损伤薄膜和靶材；2) 偏压漂移与失控：沉积层改变了电极的等效阻抗和漏电流，导致实际施加到基片的偏压偏离设定值且不稳定。为此，现代先进的镀膜脉冲电源集成了主动的“负偏压清洁功能”，旨在通过电源输出的特定电学手段，周期性地清除这些有害沉积，恢复电极的原始表面状态，保障工艺的长期稳定与重复性。

负偏压清洁功能并非简单的提高电压或电流，而是一种基于对等离子体-电极界面物理的深入理解，通过精心设计的电压/电流脉冲序列，实现对电极表面的原位、非接触式“电清洗”。其主要技术原理和实施方式如下：

1. 反极性高压脉冲清洁
这是最常用和直接的清洁方法。在镀膜工艺的间歇期（如每完成一个批次后），或在连续镀膜中嵌入极短的清洁周期。
- 工作原理：电源暂时停止正常的负偏压输出，转而向基片台施加一个正高压脉冲（或一系列正脉冲）。此时，基片台相对于等离子体变为正电位。等离子体中的电子被强烈吸引并高速轰击基片台表面。高能电子的动能转化为热能，使附着在表面的非金属或弱导电沉积物（如氧化物、氮化物或疏松的金属膜）瞬间局部加热，发生热致解吸附、升华或微区爆炸性蒸发，从而被清除。同时，正偏压抑制了正离子的轰击，避免了清洁过程中对基片台基体材料的溅射刻蚀。
- 技术关键：
    - 脉冲参数优化：正脉冲的幅度（需足够高以吸引足够能量的电子，但低于引发异常放电的阈值）、宽度（微秒至毫秒级）和重复频率需要针对不同的沉积材料进行优化。幅度过高或脉宽过长可能导致基片台过热或本身被损伤。
    - 等离子体环境维持：清洁过程需要在等离子体环境中进行，以提供足够的电子源。因此，通常需要维持靶电源工作或使用辅助等离子体源。
    - 与工艺时序的同步：清洁周期必须与镀膜主工艺、传片、充放气等步骤妥善编排，避免影响生产节拍和引入污染。

2. 增强型电弧放电清洁
利用受控的、短促而强烈的电弧放电来烧蚀沉积层。
- 工作原理：在清洁模式下，电源工作于一种特殊的“受控电弧”状态。通过监测阻抗或电流，故意诱发一个持续时间极短（微秒级）、能量被严格限制的微电弧发生在电极表面的沉积层上。电弧的高温等离子体通道能将局部的沉积物烧蚀、气化。电源的快速保护电路随后立即切断电弧，防止其发展为破坏性的持续电弧。
- 技术关键：
    - 电弧的精准触发与淬灭：需要精确控制电弧发生的位置（通常希望发生在沉积最厚的区域）和时机。这需要复杂的检测和触发逻辑，以及能极快关断电流的开关器件（如IGBT）。
    - 能量限制：必须确保每个清洁电弧的能量被限制在安全范围内，不会对基片台电极造成凹坑或宏观损伤。

3. 脉冲偏压模式下的自清洁效应
即使在正常镀膜过程中，采用特定的脉冲偏压模式也能在一定程度上抑制沉积。
- 双极脉冲偏压：在正常的负偏压脉冲周期后，插入一个很短的正偏压或零偏压周期。正偏压周期会吸引电子，对刚刚开始形成的薄层沉积产生轻微的加热和排斥作用，干扰其连续成膜，从而减缓在电极上的堆积速度。这种方式属于“在线抑制”而非“离线清除”。
- 高压负脉冲的溅射效应：如果基片台电极材料允许，可以周期性地施加一个远高于常规镀膜偏压的高能负脉冲。此时，等离子体中的正离子被剧烈加速轰击电极表面，产生轻微的自溅射效应，将沉积层溅射掉。这种方法需谨慎使用，以免过度刻蚀电极本身。

4. 清洁效果的监测与闭环控制
智能化的清洁功能需要感知清洁是否有效。
- 电气参数监测：在清洁前后，监测施加偏压时的漏电流、点火电压或阻抗谱。清洁成功后，这些参数应恢复到接近新电极的状态（如漏电流减小，阻抗增加）。
- 光学或质谱监测：通过光发射谱监测清洁过程中被清除材料特征谱线的增强，或通过质谱监测放气成分的变化，来判断清洁进程和终点。
- 自适应清洁策略：根据监测结果和累积的镀膜时间，控制系统可以动态调整清洁周期（每隔多少批次清洁一次）和清洁脉冲的强度（“轻度清洁”或“深度清洁”），实现按需维护，优化产能和耗材寿命。

5. 系统集成与安全
- 与主电源的一体化设计：清洁功能必须是高压偏压电源内部固化的功能模块，共享主功率回路和控制平台，确保时序精确和操作安全。
- 安全联锁：清洁模式只能在无基片或基片已被移走的情况下启动，并有明确的警示。必须防止高能电子或电弧损伤产品。
- 工艺参数隔离：清洁过程的所有参数（正压幅值、脉宽、频率等）需独立于镀膜工艺参数进行设置和存储，避免混淆。

镀膜脉冲电源负偏压清洁功能的集成，将电源的角色从单一的能量供给扩展到了工艺腔室维护的领域。它通过电学手段解决了PVD工艺中一个长期存在的物理污染问题，显著提升了设备的连续稳定运行时间、工艺重复性以及薄膜产品的一致性。这项技术是高端镀膜装备在追求高可用性、低维护成本和智能化运行方面的重要进步，对于大规模工业生产中保证良率和降低成本具有显著价值。