偏壓電源

2021/09/29

偏壓電源（Bias power supply ）是真空電弧離子鍍及其它真空物理氣相沉積設(shè)備中一個(gè)重要組件，在真空離子鍍膜中，偏壓電源的好壞對(duì)于成膜質(zhì)量起著非常關(guān)鍵的作用。偏壓（Bias)是指在鍍膜過程中施加在基體上的負(fù)電壓。偏壓電源的正極接到真空室上，同時(shí)真空室接地，偏壓的負(fù)極接到工件上。由于大地的電壓一般認(rèn)為是零電位，所以工件上的電壓習(xí)慣說負(fù)偏壓

負(fù)偏壓的作用

1.提高真空等離子體內(nèi)帶電粒子的能量，轟擊清洗所鍍工件表面，使工件表面經(jīng)受高能粒子撞擊后得到嶄新的表層，從而提高后續(xù)沉積膜層的結(jié)合力

2.通過偏壓轟擊，在膜層與基體之間生成一層與二者均相容的過渡金屬層，以便于膜層與基體結(jié)合。

3.靠不同的電壓輸出極性或方式改變沉積規(guī)則，調(diào)整膜層顏色與性能。

4.通過帶電離子的轟擊，對(duì)基片產(chǎn)生加熱效應(yīng)。

5.清除基片上吸附的氣體和油污等，有利于提高膜層結(jié)合強(qiáng)度。

6.活化基體表面。

7.對(duì)電弧離子鍍（Arc Ion Plating)中的大顆粒有凈化作用。

偏壓的分類

根據(jù)波形可分為：

直流偏壓

直流脈沖偏壓

主要特點(diǎn)

1.高頻單極性脈沖偏壓施壓在工件上，相比直流偏壓而言，由于存在電壓中斷間隙，能有效減少打火次數(shù)，保護(hù)工件表面。

2.脈沖間隙期間，工件表面積累的電荷可以被中和，從而減少了表面電荷積累引起的打火。

3.高頻逆變技術(shù)中的快速關(guān)斷能力，能有效減少每次打火釋放的能量，即使在打火出現(xiàn)時(shí)，也能明顯降低工件表面大損傷程度。

4.脈沖間隙期間沉積到工件表面的離子能量很低。

5.可以通過調(diào)節(jié)頻率、占空比要改善和控制成膜速度和質(zhì)量。

直流疊加脈沖偏壓

主要特點(diǎn)

1.具有單極性脈沖偏壓電源的所有特點(diǎn)。

2. 直流和直流疊加脈沖模式下，消除了單極性脈沖間隙間離子能量很低的問題。

雙極性脈沖偏壓

 主要特點(diǎn)

1. 負(fù)脈沖的作用同單極性脈沖偏壓電源，正脈沖的作用主要是吸引等離子體中的電子來中和工件表面的正電荷積累。因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量遠(yuǎn)小于離子，加速很容易，所以正脈沖的幅值遠(yuǎn)小于負(fù)脈沖幅值，通常為10～100V，正、負(fù)脈沖的電流積分應(yīng)相等。所以正電源的功率比負(fù)電源的功率小很多。

2. 當(dāng)正電源電壓為零時(shí)，雙極性脈沖偏壓就變成單極性脈沖偏壓。

偏壓電源的可調(diào)參數(shù)

• 偏壓幅值

• 占空比

• 頻率

• 波形

偏壓電源的重要特性

• 每分鐘的滅弧數(shù)量（單位每分鐘滅弧次數(shù)）

• 檢測(cè)大弧的靈敏度（mJ/kW 可檢測(cè)的電弧能量）

偏壓的負(fù)載特性

偏壓的工作負(fù)載為等離子體，當(dāng)使用直流偏壓的時(shí)候，等離子體表現(xiàn)為阻性；當(dāng)使用脈沖偏壓的時(shí)候，等離子體表現(xiàn)出阻性+容性，可以認(rèn)為是電阻和電容的串聯(lián)，容性產(chǎn)生的本質(zhì)是由基片表面的等離子鞘層引起。

直流偏壓和脈沖偏壓的比較

傳統(tǒng)的電弧離子鍍是在基片臺(tái)上施加直流負(fù)偏壓控制離子轟擊能量, 這種沉積工藝存在以下缺點(diǎn):

1. 基體溫升高, 不利于在回火溫度低的基體上沉積硬質(zhì)膜。

2. 高能離子轟擊造成嚴(yán)重的濺射, 不能簡(jiǎn)單通過提高離子轟擊能量合成高反應(yīng)閾能的硬質(zhì)薄膜。

直流偏壓電弧離子鍍工藝中,為了抑制正離子對(duì)基體表面連續(xù)轟擊而導(dǎo)致的基體溫度過高,主要采取減少沉積功率、縮短沉積時(shí)間、采用間歇沉積方式等措施來降低沉積溫度，這些措施可以概括地稱為能量控制法"這種方法雖然可以降低沉積溫度,但也使薄膜的某些性能下降,同時(shí)還降低了生產(chǎn)效率和薄膜質(zhì)量的穩(wěn)定性，因此,難以推廣應(yīng)用。

脈沖偏壓電弧離子鍍工藝中,由于離子是以非連續(xù)的脈沖方式轟擊基體表面,所以通過調(diào)節(jié)脈沖偏壓的占空比,可改變基體內(nèi)部與表面之間的溫度梯度,進(jìn)而改變基體內(nèi)部與表面之間熱的均衡補(bǔ)償效果,達(dá)到調(diào)控沉積溫度的目的。這樣就可以把施加偏壓的脈沖高度與工件溫度獨(dú)立分開(互不影響或影響很小)調(diào)節(jié),利用高壓脈沖來獲得高能離子的轟擊效應(yīng)以改善薄膜的組織和性能,通過降低占空比來減小離子轟擊的總加熱效應(yīng)以降低沉積溫度。

偏壓對(duì)膜層的影響

偏壓對(duì)膜層的影響機(jī)制是很復(fù)雜的，很多公司和科研機(jī)構(gòu)做了大量研究，對(duì)不不同膜層和不同設(shè)備，影響的方式和結(jié)果有很大不同，下面列出了一些主要影響，可以根據(jù)自己的使用工藝，觀察總結(jié)，就可以很快摸清偏壓對(duì)膜層的影響規(guī)律。

1. 膜層結(jié)構(gòu)、結(jié)晶構(gòu)造取向、組織結(jié)構(gòu)

2. 沉積速率

3. 大顆粒凈化

4. 膜層硬度

5. 膜層致密度

6. 表面形貌

7. 內(nèi)應(yīng)力