真空镀膜离子辅助沉积偏压电源

在物理气相沉积工艺中，离子辅助沉积技术通过在薄膜生长过程中，用能量可控的离子束轰击基片表面，显著改善薄膜的微观结构、附着力、内应力和光学性能。为产生并控制这股辅助离子束，或者为基片施加偏压以吸引等离子体中的离子，需要专用的离子辅助沉积偏压电源。这类电源根据离子产生方式（如独立离子源、等离子体浸没）和工艺需求（直流、脉冲、射频）的不同，呈现出多样化的技术形态，但其核心目标都是提供稳定、可控的离子能量与通量，实现对薄膜生长过程的精密干预。

离子辅助沉积偏压电源主要服务于两种技术路线：

独立离子源偏压电源：使用独立的宽束离子源（如考夫曼源、霍尔源）或聚焦离子束源，产生定向的离子束流照射到基片上。为此类离子源供电的电源系统通常包括：
- 放电电源：用于在离子源放电室内产生和维持等离子体。可以是直流放电（需要抗电弧能力）、射频放电（如13.56 MHz，需要阻抗匹配网络）或微波放电电源。需稳定控制放电电流或功率，以保证等离子体密度稳定。
- 加速/减速电源：从等离子体中引出离子并加速至所需能量。通常为可调的负高压直流电源（用于加速正离子），其电压值（如50-1000V）直接决定离子轰击能量。要求电压稳定、纹波小，因为能量分散会模糊离子辅助效果。有时还包括减速栅电源，用于精细调节最终到达基片的离子能量。
- 中和器电源（对于电荷中和型离子源）：向离子束中注入电子，防止基片积累正电荷。这需要一个独立的电子发射电源（如灯丝加热和加速电源）。

基片偏压电源：在等离子体基沉积技术（如磁控溅射、电弧蒸发）中，直接对基片施加一个负偏压（直流或脉冲），利用等离子体鞘层电场加速正离子轰击生长中的薄膜。这类偏压电源的特点是：
- 直流偏压电源：提供稳定的负直流高压（通常-50V至-200V）。要求电压精确可调，负载调整率好（基片阻抗可能随膜层生长变化），并能耐受因等离子体不稳定或基片架设计导致的偶尔放电（需有快速保护）。
- 脉冲偏压电源：越来越多地用于精细控制。可输出频率（几百Hz至几百kHz）、占空比、幅值可调的方法脉冲。脉冲模式允许在“开”周期进行高能离子轰击，在“关”周期让表面弛豫和电荷中和，有利于降低应力、减少缺陷。对电源的脉冲上升/下降沿、平顶稳定性、频率精度要求高。
- 射频偏压电源：用于绝缘基片或沉积绝缘膜时，通过电容耦合施加射频偏压（通常13.56 MHz）。需要射频功率源和阻抗匹配器，自动调节以将设定的射频功率有效耦合到变化的等离子体-基片负载上，从而控制离子的平均能量。匹配速度和稳定性是关键。

通用技术要求：
- 能量与通量的独立/耦合控制：理想情况下，希望能独立调节离子能量和离子通量。在独立离子源中，这通过分别调节加速电压和放电电流来实现；在基片偏压中，能量主要由偏压幅值决定，通量受偏压和等离子体密度共同影响，控制更复杂。
- 与主沉积工艺的同步：偏压的施加需与蒸发/溅射源的启停、挡板开关等动作同步。在脉冲偏压中，可能需要与靶电源脉冲同步，以优化每个周期内的材料到达与离子轰击时序。
- 工艺稳定性与重复性：电源输出的长期漂移必须极小，确保批次间工艺一致性。对于反应沉积，可能需要根据工艺终点信号（如光学监控）自动微调偏压参数。
- 安全与可靠性：工作在等离子体环境中，绝缘、防电弧、防短路设计必须可靠。具备完善的故障保护与自诊断功能。

真空镀膜离子辅助沉积偏压电源，是连接等离子体物理与薄膜材料工程的“能量控制器”。它通过为离子赋予精确可控的动能，使离子轰击从一种潜在的破坏因素转变为一种强大的材料改性工具，能够打破薄膜生长的热力学限制，在低温下制备出高性能的致密薄膜，是先进功能涂层和设备性能提升不可或缺的工艺装备。