磁控溅射电源靶材利用率提升
在磁控溅射镀膜工艺中，靶材作为薄膜材料的来源，其利用率是影响生产成本和经济效益的关键因素。传统的直流或中频磁控溅射过程中，由于磁场分布的限制，离子轰击主要集中在靶材表面的环形区域内（跑道），导致该区域被快速刻蚀，形成明显的凹槽，而靶材中心及边缘区域则消耗甚少。这种不均匀刻蚀使得大量昂贵的靶材材料（特别是贵金属或特种合金）未被有效利用就被报废，利用率往往仅能达到20%-40%。提升靶材利用率，不仅具有直接的经济价值，还能减少换靶频率，提高设备利用率。为此，针对磁控溅射电源的创新设计，结合靶体与磁场结构的优化，成为解决这一行业痛点的核心技术路径。
提升靶材利用率的核心思路在于：改变或调控等离子体对靶面的轰击分布，使其在靶材表面更均匀地刻蚀，或通过动态移动刻蚀区域来“扫过”整个靶面。电源作为能量输入和等离子体控制的核心，可以通过多种方式参与并驱动这一过程。
1. 驱动旋转靶与移动磁场的电源控制
这是目前应用最广且最有效的技术之一。
- 旋转圆柱靶电源：采用圆柱形靶材并使其绕轴心旋转。电源通过滑环电刷或无接触电能传输方式为旋转的靶体提供稳定的溅射功率（直流、中频或脉冲直流）。由于靶体持续旋转，表面任何一点在磁场有效区域（通常是静止的）的停留时间周期性变化，从而实现整个圆周方向的均匀刻蚀，利用率可提升至60%-80%。对电源的要求是：在动态接触下提供稳定、低噪声的功率输出；能承受因旋转可能引起的轻微电流波动；滑环系统需可靠耐用。
- 移动磁场电源：保持平面靶静止，但通过外部机构驱动磁体（或电磁线圈）在靶材背面进行平移或旋转扫描。为此，需要一套独立的驱动磁场的电源系统（通常是多路直流电源，为电磁线圈供电）。这套电源需要根据预设的扫描轨迹（如线性往复、圆形扫描），精确控制各线圈的电流大小和方向，以产生一个在靶面平行移动的均匀磁场。电源的控制需与主溅射电源协同，确保在磁场移动过程中，等离子体稳定点燃，溅射速率平稳。
2. 非平衡磁场与电源功率调制的协同
通过电源的调制影响等离子体分布，间接改善刻蚀均匀性。
- 脉冲电源调制改善等离子体约束：采用双极脉冲磁控溅射或高功率脉冲磁控溅射技术。HIPIMS通过施加极高的峰值功率（kW/cm²量级），产生高离化率的等离子体。这种高密度等离子体在磁场中的行为与直流有所不同，可能扩展了等离子体在靶面的分布范围。同时，脉冲工作模式可以减少靶面热点，缓解局部过热导致的异常刻蚀。电源需具备高脉冲功率输出和精确的脉冲控制能力。
- 多磁极与电源分区供电：对于大型矩形靶，可以采用多组独立的磁极阵列。理论上，可以为每组磁极对应的靶面区域配备独立的电源模块或通道。通过独立调节各区域的功率，可以补偿因磁场边界效应或冷却不均导致的刻蚀速率差异，实现更“平坦”的整体刻蚀轮廓。这要求多通道电源间具有良好的均流和同步性能。
3. 电源波形与频率优化以调整刻蚀特性
电源的输出特性直接影响溅射产额和刻蚀形貌。
- 中频交流电源的应用：在沉积绝缘材料时，使用40kHz左右的中频交流电源，可以避免靶面电荷积累。适当优化频率，可能影响等离子体鞘层动力学和离子入射角度分布，从而对刻蚀形貌产生细微影响，但这不是提升利用率的主要手段。
- 非常规波形探索：研究非对称双极脉冲波形、叠加直流偏置的脉冲波形等，旨在更精细地控制每个脉冲周期内对靶面的离子轰击和电荷中和过程，以期在微观上获得更均匀的刻蚀。这需要电源具备强大的任意波形生成能力。
4. 智能化监控与反馈控制
利用传感器监测靶材刻蚀状态，并反馈控制电源参数。
- 靶材消耗原位监测：通过激光测距或光学干涉法，实时测量靶材表面不同位置的刻蚀深度。
- 闭环控制：将刻蚀深度分布数据反馈给控制系统。如果发现某区域刻蚀过慢，控制系统可以指令移动磁场的电源调整扫描策略（在该区域增加停留时间），或者指令分区供电电源提高该区域的功率。这实现了真正的自适应均匀刻蚀，是未来的发展方向。对电源的响应速度和控制灵活性提出了极高要求。
5. 电源设计与系统集成考量
为实现上述功能，电源设计需兼顾性能与可靠性。
- 高稳定性与高效率：在驱动移动部件或进行脉冲调制时，主溅射功率仍需保持高度稳定，以确保沉积速率恒定。同时，电源自身效率要高，减少能耗。
- 多系统同步与接口：电源需具备与运动控制系统、真空计、膜厚仪等设备通信和同步的能力，接受统一的工艺配方指令。
- 抗干扰与长寿命：在复杂的等离子体环境和可能存在机械运动的情况下，电源需稳定可靠，抗干扰能力强，关键部件（如用于旋转靶的滑环）寿命长。
磁控溅射电源靶材利用率的提升，是一个从单纯“供能”到“主动调控等离子体与靶面相互作用”的跨越。它通过电源技术创新，与机械、磁路设计紧密结合，动态地管理能量在靶材表面的时空分布。这不仅带来了直接的成本节约，也体现了磁控溅射技术向更高效、更智能、更可持续方向发展的趋势。随着电源控制精度和智能化程度的不断提高，未来有望实现接近理论极限的靶材利用率，从而进一步降低高端薄膜的制备成本，拓展其应用范围。
