薄膜工艺中如何选择合适的电源？

发布时间：2026-03-21来源：半导体盒

正文共：2294字；预计阅读时间：6分钟

编译自：The Art of Choosing the Right Power Supply

关于工艺功率的明智决策有助于你实现特定的溅射速率、薄膜质量以及设备成本和复杂性目标。每种功率方法都有其独特的优缺点。因此，并没有明确的答案。你的选择必须基于此处提出的建议以及你自身的工艺优先级。

表 1 列出了电源选择中涉及的主要因素，以及每种供电方式的评级。在最左侧列中找到对您的流程最重要的因素，然后为这些参数选择评级最高的供电方式。进一步查阅该表，了解您所选方式在所有重要标准下的性能。之后，继续阅读以了解在做出最终决定前需要考虑的更多因素。

以下信息针对溅射工艺设置中的常见问题进行了说明。它解答了表 1 未回答的问题，并提供了电源设置建议。

脉冲功率可以是脉冲直流电、低频（50–60 Hz）交流电、中频（25 至 250 kHz）交流电或高频交流电（例如 13.56 MHz）的形式。

电压波形（Voltage Waveforms）*

参考自：Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing

选择射频以获得最佳薄膜质量

如果薄膜质量是你唯一的优先考量，那么射频功率无疑是工艺功率的理想选择。射频能量会使等离子体中的电子获得极高的能量，产生一种 “锤击效应” ——离子会以巨大的力量冲向衬底。这能让离子紧密堆积，形成极为平整、均匀的薄膜，且针孔（pinhole）发生率低。

PVD 涂层中不同形状的类孔缺陷示意图概述*

*Review of Growth Defects in Thin Films Prepared by PVD Techniques

射频功率的主要缺点是速度非常慢。其溅射率仅为20%，而其他所有方法的溅射率都在70%或以上，最高可达100%。然而，对于一些关键应用，如天线阵列和用于外太空的太阳能电池板，这种低速度可能是可以接受的。这取决于你的优先事项。

设置射频

对于使用相对较小阴极（1至1.5米，3.3 至 4.9 英尺）的工艺，匹配网络的放置是正确设置射频的关键。为了最大限度地将功率传输到负载，应将匹配网络放置在尽可能靠近阴极的位置。这会缩短匹配网络输出电缆的长度，而该电缆本身也是负载的一部分。因此，较短的电缆可以提高功率传输效率和工艺重复性。

接地是小型阴极射频设置中的另一个关键要素。接地带必须足够宽以最大化表面积，同时也要短。此外，所有连接都必须极其干净，以避免产生电阻。

不幸的是，由于波长模式的存在，对于使用较大阴极的工艺，目前没有简单的指导原则。与小阴极射频工艺相比，其设置本质上更为复杂，且需要更多的反复试验。

可旋转阴极与射频电源不兼容，不过可旋转阴极技术的最新发展可能最终会使其适用于射频溅射。目前，它们通常最适合用于直流或脉冲直流供电的工艺中，在这些工艺中，它们可以将靶材利用率提高 80% 至 90%。

直流与脉冲直流之间的选择

脉冲直流电几乎总是比纯直流电更好的选择，因为它能提升薄膜质量并延长生产周期。大多数配备直流电的系统都是在脉冲技术出现之前就已安装好的。

低频脉冲的加入能使电子更具能量，从而产生一种 “锤击” 效应。这改善了薄膜的平整度、堆积密度和透光率，并减少了针孔的出现。与纯直流电相比，脉冲直流供电工艺还需要更短、频率更低的腔体清洁步骤。这显著提高了工艺的生产效率和产量。

成本并非直流和脉冲直流之间的重要决定因素。脉冲直流能够使用比直流便宜得多的靶材。

选择脉冲直流而非纯直流以节省靶材成本

一般来说，脉冲直流电源比纯直流方法能产生更好的薄膜质量。这使得使用脉冲直流的工艺可以通过采用较低等级的靶材来显著节省成本。任何直流溅射工艺都会产生“指状凸起”，这些凸起可能会伸入并穿过相邻的层。

因此，直流供电的工艺必须使用昂贵的高等级铝靶，而脉冲直流工艺则可以使用价格实惠得多的靶材，且不会对薄膜质量产生负面影响。

直流&射频&脉冲直流组合

在直流加射频与脉冲直流加射频之间选择

一般来说，带有射频的脉冲直流电是比带有射频的纯直流电更好的选择。在直流与脉冲直流的选择中所描述的相同的薄膜质量、生产率和成本考量也适用于此。

带射频的直流或带射频的脉冲直流的工艺设置

将射频与直流电结合，或者将射频与脉冲直流电结合，会在工艺设置中增加一定的复杂性和成本。当两种不同类型的电源同时工作时，电弧处理尤其具有挑战性。

在这些配置中，直流或脉冲直流电源能够比射频电源更精准地识别电弧并做出响应。因此，当发生电弧时，您的直流电源必须能够控制射频单元，以切断直流和射频电源。

此外，一旦电弧熄灭，它还能够快速恢复供电。如今市场上的直流电源在这方面各有不同。有些根本没有内置的直流/射频控制方法，而另一些则具备强大的控制能力。

二极管溅射与磁控溅射的选择

你在溅射速度、薄膜质量和靶材利用率方面的优先考量，决定了在二极管溅射（two-electrode (diode) system）和磁控溅射之间的最佳选择。二极管溅射应用能产生更均匀的薄膜，且靶材利用率达到100%。不过，其溅射速率比磁控溅射方法慢得多。磁控溅射应用的速率较高，但靶材最大利用率仅为 50%。顺着磁控管的形状，靶材会以椭圆形（称为“跑道”）的方式被消耗，剩下的材料则未被利用。