偏压电源(Bias power supply )是真空电弧离子镀及其它真空物理气相沉积设备中一个重要组件,在真空离子镀膜中,偏压电源的好坏对于成膜质量起着非常关键的作用.偏压(Bias)是指在镀膜过程中施加在基体上的负电压.偏压电源的正极接到真空室上,同时真空室接地,偏压的负极接到工件上.由于大地的电压一般认为是零电位,所以工件上的电压习惯说负偏压负偏压的作用1.提高真空等离子体内带电粒子的能量,轰击清洗所镀工件表面,使工件表面经受高能粒子撞击后得到崭新的表层,从而提高后续沉积膜层的结合力2.通过偏压轰击,在膜层与基体之间生成一层与二者均相容的过渡金属层,以便于膜层与基体结合.

3.靠不同的电压输出极性或方式改变沉积规则,调整膜层颜色与性能.

4.通过带电离子的轰击,对基片产生加热效应.

5.清除基片上吸附的气体和油污等,有利于提高膜层结合强度.

6.活化基体表面.

7.对电弧离子镀(Arc Ion Plating)中的大颗粒有净化作用.

偏压的分类

根据波形可分为:

直流偏压

直流脉冲偏压

主要特点

1.高频单极性脉冲偏压施压在工件上,相比直流偏压而言,由于存在电压中断间隙,能有效减少打火次数,保护工件表面.

2.脉冲间隙期间,工件表面积累的电荷可以被中和,从而减少了表面电荷积累引起的打火.

3.高频逆变技术中的快速关断能力,能有效减少每次打火释放的能量,即使在打火出现时,也能明显降低工件表面大损伤程度.

4.脉冲间隙期间沉积到工件表面的离子能量很低.

5.可以通过调节频率、占空比要改善和控制成膜速度和质量.

直流叠加脉冲偏压

主要特点

1.具有单极性脉冲偏压电源的所有特点.

2. 直流和直流叠加脉冲模式下,消除了单极性脉冲间隙间离子能量很低的问题.

双极性脉冲偏压

主要特点

1. 负脉冲的作用同单极性脉冲偏压电源,正脉冲的作用主要是吸引等离子体中的电子来中和工件表面的正电荷积累.因为电子的质量远小于离子,加速很容易,所以正脉冲的幅值远小于负脉冲幅值,通常为10~100V,正、负脉冲的电流积分应相等.所以正电源的功率比负电源的功率小很多.

2. 当正电源电压为零时,双极性脉冲偏压就变成单极性脉冲偏压.

偏压电源的可调参数

偏压幅值

占空比

频率

波形

偏压电源的重要特性

每分钟的灭弧数量(单位每分钟灭弧次数)

检测大弧的灵敏度(mJ/kW 可检测的电弧能量)

偏压的负载特性

偏压的工作负载为等离子体,当使用直流偏压的时候,等离子体表现为阻性;当使用脉冲偏压的时候,等离子体表现出阻性+容性,可以认为是电阻和电容的串联,容性产生的本质是由基片表面的等离子鞘层引起.

直流偏压和脉冲偏压的比较

传统的电弧离子镀是在基片台上施加直流负偏压控制离子轰击能量, 这种沉积工艺存在以下缺点:

基体温升高, 不利于在回火温度低的基体上沉积硬质膜.

高能离子轰击造成严重的溅射, 不能简单通过提高离子轰击能量合成高反应阈能的硬质薄膜.

直流偏压电弧离子镀工艺中,为了抑制正离子对基体表面连续轰击而导致的基体温度过高,主要采取减少沉积功率、缩短沉积时间、采用间歇沉积方式等措施来降低沉积温度,这些措施可以概括地称为能量控制法"这种方法虽然可以降低沉积温度,但也使薄膜的某些性能下降,同时还降低了生产效率和薄膜质量的稳定性,因此,难以推广应用.

脉冲偏压电弧离子镀工艺中,由于离子是以非连续的脉冲方式轰击基体表面,所以通过调节脉冲偏压的占空比,可改变基体内部与表面之间的温度梯度,进而改变基体内部与表面之间热的均衡补偿效果,达到调控沉积温度的目的.这样就可以把施加偏压的脉冲高度与工件温度独立分开(互不影响或影响很小)调节,利用高压脉冲来获得高能离子的轰击效应以改善薄膜的组织和性能,通过降低占空比来减小离子轰击的总加热效应以降低沉积温度.

偏压对膜层的影响

偏压对膜层的影响机制是很复杂的,很多公司和科研机构做了大量研究,对不不同膜层和不同设备,影响的方式和结果有很大不同,下面列出了一些主要影响,可以根据自己的使用工艺,观察总结,就可以很快摸清偏压对膜层的影响规律.

1、膜层结构、结晶构造取向、组织结构

2、沉积速率

3、大颗粒净化

4、膜层硬度

5、膜层致密度

6、表面形貌

7、内应力