磁控溅射镀膜中非平衡磁场与高压电源参数的匹配关系
磁控溅射是现代工业制备功能性薄膜的主流技术之一，其沉积速率、薄膜质量与等离子体特性密切相关。非平衡磁场设计是近年来提升磁控溅射性能，尤其是增强离化率、改善薄膜在复杂工件表面覆盖均匀性的关键手段。然而，非平衡磁场的引入，深刻改变了等离子体的空间分布和电子运动轨迹，这使得作为等离子体产生与维持核心的高压电源（通常为直流、中频或脉冲直流电源）的输出参数必须与之进行精细匹配，否则不仅无法发挥非平衡磁场的优势，还可能引发电弧加剧、靶材中毒或薄膜损伤等问题。
传统的平衡磁控溅射中，磁力线在靶面附近形成封闭的环形跑道，将二次电子约束在靶面附近，产生高密度等离子体以实现高速溅射。但其等离子体区域较为集中，对于需要深入孔隙或复杂三维结构进行镀膜的场合显得不足。非平衡磁场通过调整磁极（中心磁极与外圈磁极）的磁通量比例，使部分磁力线从靶面延伸至衬底区域。这些开放的磁力线成为引导电子飞向衬底的通道，从而将等离子体从靶面“牵引”到更广阔的工作空间，增强了衬底附近的等离子体密度和活性粒子浓度。
这种等离子体分布的改变，直接影响到等离子体的阻抗特性。当高压电源施加在靶材（阴极）上时，它需要击穿工作气体（通常为氩气）并维持稳定的辉光放电。在非平衡磁场下，由于电子被磁场引导，其能量分布和空间分布发生变化，等离子体的等效电阻也随之改变。一般而言，更强的非平衡度（更多磁力线延伸至衬底）会导致等离子体区域扩大、密度分布更分散，这可能会使等离子体阻抗略有增加。因此，电源的输出特性需要相应调整。
对于直流电源，其输出电压（即阴极负电位）与电流的匹配至关重要。在一定的气体压力和磁场配置下，存在一个最优的电压-电流工作点。电压过低，不足以维持足够的离化率；电压过高，则可能导致异常放电或对薄膜产生过度轰击。非平衡磁场下，由于离化区域扩大，有时需要适度提高电源电流来维持整体的等离子体密度，以保障沉积速率。同时，电源的弧抑制能力必须非常强，因为非平衡磁场可能改变靶面电荷积累的位置，引发新的不稳定因素。
当中频（如40kHz）或脉冲直流电源被用于反应溅射（如沉积氧化物、氮化物）时，匹配关系更为复杂。这类电源通过周期性反转电压极性来清理靶面绝缘层，防止“靶材中毒”。非平衡磁场会影响每个半周期内等离子体的建立和衰减过程。例如，在脉冲关断或极性反转期间，等离子体中的带电粒子在延伸磁场中的扩散行为会不同于平衡磁场情形。这要求电源的脉冲频率、脉宽、以及反向电压的幅度与持续时间，都需要根据具体的磁场构型进行优化。一个匹配良好的组合，可以在高效清理靶面的同时，保持衬底处等离子体的高活性，从而在高速沉积下获得高质量薄膜。
此外，非平衡磁场与高压电源的匹配还体现在对薄膜应力的控制上。高能粒子对生长薄膜的轰击是影响薄膜内应力的主要因素。通过调整磁场非平衡度和电源参数（如脉冲偏压的占空比和幅值），可以精细调控到达衬底的离子能量和通量，从而在宽的范围内调节薄膜应力，从高张应力转变为高压应力，甚至实现接近零应力状态，这对于制备大面积、附着力强的功能性涂层至关重要。
因此，在现代先进的磁控溅射系统中，非平衡磁场的物理设计与高压电源的电参数设定，不再是两个独立的模块，而是一个需要协同设计与实时调控的整体。工艺开发的过程，往往就是在特定靶材-气体-衬底组合下，寻找磁场构型与电源输出波形、功率之间最优协同点的过程。这种深刻的匹配关系，是推动磁控溅射技术向更高离化率、更优薄膜性能、更广应用范围发展的核心内因之一。
