磁控溅射高速溅射模式电源

在卷对卷柔性衬底镀膜、大面积平板玻璃镀膜以及需要高沉积速率的工业生产中，传统的直流磁控溅射工艺有时难以满足产能需求。为了提高溅射沉积速率，发展了多种高速溅射技术，如高功率脉冲磁控溅射、中频交流溅射（双靶）以及优化后的直流高功率溅射等。这些高速溅射模式对为其供电的电源提出了远超常规直流电源的苛刻要求，涉及高峰值功率、快速脉冲、高平均功率处理能力以及复杂的等离子体负载管理。为高速溅射模式专门设计的电源，是解锁高沉积速率、同时可能改善膜层性能的关键。

不同高速溅射模式对电源的要求各有侧重：

高功率脉冲磁控溅射电源：HIPIMS技术通过向靶材施加极短（数十至数百微秒）、极高峰值功率（较平均功率高2-3个数量级）的负电压脉冲，产生高度离化的金属等离子体。其专用电源的核心挑战在于：
- 高峰值功率输出：需要能在极短时间内提供数千安培的脉冲电流和数千伏的脉冲电压。这通常采用脉冲形成网络或基于半导体开关（如IGBT）的Marx发生器拓扑。
- 快速上升沿与精确脉冲控制：脉冲上升时间需极快（微秒量级），以快速建立强电场，促进气体击穿和等离子体形成。脉冲宽度、频率和幅值需要独立精确可调，以优化离化率和沉积速率。
- 高平均功率下的热管理：虽然峰值功率极高，但平均功率通过低占空比控制。电源内部的开关器件和磁性元件需承受巨大的瞬时电流应力，散热设计至关重要。
- 稳定的弧光处理能力：在如此高的功率密度下，靶面更易产生微弧。电源需集成超快弧光检测与抑制电路（响应时间<1微秒），以保护靶材和电源本身。

中频交流溅射电源：主要用于非导电靶材（反应溅射或直接溅射绝缘材料）或双靶共溅，频率通常在10-100 kHz。其特点是对称的双极性输出，以周期性地中和靶面电荷，防止“靶中毒”或电弧。
- 对称的双极性交流输出：要求电源能输出正负半周对称的交流波形，电压幅值可调。常采用全桥或半桥逆变拓扑。
- 频率与相位稳定性：工作频率需稳定，以避免对溅射过程产生低频调制。对于双靶非对称交流模式，两个靶的电源需要精确的频率和相位同步。
- 对复杂负载的适应性：在反应溅射中，靶面状态动态变化，负载阻抗非线性强。电源需有良好的动态响应以维持稳定放电。

直流高功率溅射电源：在保证冷却和弧光控制的前提下，直接提高直流功率。对此类电源的要求是：
- 高电流连续输出能力：能持续输出数百安培甚至上千安培的大电流，且电流纹波低。
- 优异的负载调整率：在溅射过程中，等离子体阻抗可能因工艺气体压力、靶材刻蚀区形貌而变化，电源输出电压应能保持稳定。
- 高级弧压管理：高功率下电弧更频繁，需要快速、智能的灭弧与恢复策略，最小化工艺中断时间。

共性技术要求：
- 高功率因数与效率：对于工业应用，电源整机效率和高输入功率因数是降低运营成本的关键，通常需集成有源功率因数校正。
- 与工艺控制系统的集成：电源应能接收外部模拟或数字信号进行功率/电压/电流编程，并反馈实时状态。支持多种工作模式（恒压、恒流、恒功率）及它们之间的平滑切换。
- 可靠性与可维护性：工业环境要求电源平均无故障时间长，模块化设计便于快速更换故障单元。

磁控溅射高速溅射模式电源，是推动磁控溅射技术向高效率、高质量、工业化大规模生产迈进的核心驱动力。它通过提供量身定制的电能形式，驾驭着高密度、高离化率的等离子体，不仅提升了沉积速率，还可能通过改变等离子体特性来改善薄膜的致密度、附着力与微观结构，满足了先进功能性薄膜制造对产能与品质的双重需求。