真空镀膜HIPIMS双脉冲高压叠加电源

在先进功能性薄膜制备领域，高功率脉冲磁控溅射技术以其在沉积高致密度、优异附着力和优良表面光滑度薄膜方面的显著优势，已成为解决传统直流或中频磁控溅射瓶颈的关键技术。HIPIMS技术通过在极短时间内向靶材施加极高的峰值功率，产生高度离化的金属等离子体，从而实现对膜层微观结构和性能的精细调控。然而，为了进一步拓展HIPIMS的应用边界，尤其是在沉积绝缘材料、降低大颗粒污染以及改善复杂三维基体表面的覆盖均匀性等方面，双脉冲高压叠加电源技术应运而生，它将HIPIMS的工艺能力提升到了一个新的维度。

传统的HIPIMS电源通常输出一个单一的高功率脉冲，其特点是峰值电压高（可达上千伏）、峰值电流大、但脉冲宽度窄（通常在几十到数百微秒），重复频率较低。这种强脉冲产生了高离化率，但等离子体特性（如离子能量分布、离子/中性粒子比例）在一个脉冲内是动态变化且难以分离控制的。双脉冲叠加技术的核心思想在于，将一个HIPIMS脉冲分解为两个或多个在时间上紧密关联但电气参数独立可控的高压脉冲序列，通过精确控制这两个脉冲之间的延迟、宽度、幅值以及极性组合，实现对溅射过程与等离子体特性的“时域编辑”。

典型的双脉冲叠加模式主要有两种。第一种是“离化脉冲”与“溅射脉冲”的叠加。首先施加一个幅值相对较低、但电流密度极高的短脉冲（离化脉冲），其主要目的是在靶材表面产生大量被溅射出的原子，并利用高电流密度将这些原子高度离化，形成一个致密的金属等离子体羽辉。随后，在经过一个精确可控的微秒级延迟后，施加第二个幅值可能更高、但电流密度相对较低的脉冲（溅射脉冲）。第二个脉冲的作用并非为了产生更多等离子体，而是为了对这个已产生的等离子体云进行“调制”：它施加的电场可以进一步加速其中的离子，改变其能量分布，或者通过电场结构影响等离子体向基体的输运过程。这种分离控制使得可以在不显著增加平均功率（避免靶材过热）的前提下，独立优化薄膜生长的两个关键阶段——粒子产生/离化阶段与粒子能量/输运阶段。

第二种模式涉及双极性脉冲，即在一个脉冲周期内，先后施加一个负高压脉冲和一个正高压脉冲。负脉冲阶段实现靶材的溅射与等离子体产生。在短暂的零电位或低压间隔后，施加一个正高压脉冲。这个正脉冲对已到达基体附近的等离子体产生强烈的吸引作用，能够显著增加轰击基体的离子通量，并对离子能量进行二次加速。更重要的是，正脉冲阶段可以有效抑制传统HIPIMS过程中因靶面电弧或微滴效应产生的大尺寸中性颗粒飞向基体，因为这些不带电的颗粒不受正电场影响，其运动轨迹不会改变，从而被有效过滤。这对于要求极低表面缺陷的光学薄膜或半导体封装薄膜的制备至关重要。

实现这种复杂的双脉冲叠加，对高压电源提出了极其严苛的技术要求。电源系统本质上需要集成两套或多套具备独立输出能力的高压脉冲生成单元，并且它们必须在纳秒级精度上实现同步与时序控制。两路输出之间的延迟时间、脉冲宽度都需要独立可调，调节分辨率通常要求达到百纳秒甚至更高。由于两个脉冲可能共享部分输出回路，它们之间的电磁串扰必须被抑制到最低水平，防止一个脉冲的开关动作或电压瞬变干扰另一个脉冲的波形稳定性。这需要在电路拓扑上采用特殊的隔离设计、磁耦合抑制以及精密的接地与屏蔽策略。

此外，电源必须具备应对复杂负载特性的能力。在HIPIMS过程中，特别是双脉冲作用期间，磁控溅射靶的阻抗是剧烈非线性变化的，从脉冲起始时的高阻抗（气体未击穿），到电弧形成时的极低阻抗，再到等离子体稳定放电时的动态阻抗。电源的输出级需要采用特殊的电流控制模式或基于电压前馈的复合控制策略，以确保在如此动态的负载下，每一个脉冲的电压和电流波形都能精确地跟随预设形状，避免因负载变化导致的脉冲畸变或提前熄弧。监测与反馈系统也需要同步升级，不仅需要监测总电压电流，还需要能分辨和测量每个独立脉冲阶段的能量沉积，为工艺优化提供精确数据。

双脉冲叠加电源的成功应用，使得工艺工程师拥有了前所未有的调控自由度。例如，通过调节离化脉冲与溅射脉冲的延迟，可以控制等离子体云在飞向基体过程中的扩散与复合程度，从而影响薄膜在深孔或沟槽内的阶梯覆盖能力。通过独立调节正负脉冲的幅值，可以精确控制轰击基体的离子能量范围，实现从高能离子轰击（用于界面混合或致密化）到低能离子辅助沉积（用于减少膜内应力）的柔性切换。这种“时域雕刻”等离子体的能力，正推动HIPIMS技术向着更精密、更柔性、更面向下一代器件需求的方向发展。