绝缘薄膜溅射沉积过程中阴极电弧的增强控制技术研究

本研究针对溅射沉积绝缘薄膜（如Al2 O3 ）时阴极电弧引发的工艺不稳定、靶材损伤及涂层缺陷等问题，系统对比了双极脉冲（BP）与动态反向脉冲（DRP?）两种电源配置的抑弧效果，结合电弧检测阈值（Varc threshold ）和持续燃烧时间（tpersistence ）参数优化，显著降低了电弧能量。结果表明，DRP模式在70%高占空比下协同快速电弧处理可实现更稳定的沉积过程，为高性能绝缘薄膜的大规模制备提供了关键技术支撑。

　　

在工业级溅射沉积系统中，阴极电弧如同不速之客，频繁打断绝缘薄膜的制备进程。当Al₂
O₃
、SiO₂
等介质材料通过反应溅射沉积时，靶材表面绝缘区域的电荷积累会引发雪崩式放电，不仅产生喷溅颗粒污染薄膜，还会在靶面留下难以愈合的"伤疤"——电弧斑痕。更棘手的是，随着大面积镀膜设备功率攀升至数十千瓦，单个电弧的能量足以让整个生产批次报废。尽管现代脉冲电源通过周期性极性反转（如双极脉冲BP模式）能部分缓解这一问题，但如何彻底驯服这些"电火花"仍是制造业的痛点。

为此，Gayatri Rane团队在《Surface and Coatings Technology》发表的研究中，设计了一场工业级"电弧擂台赛"：让传统BP模式与新兴动态反向脉冲（DRP?）配置同台竞技。这两种技术虽然都采用双磁控管设计，但DRP?通过引入浮动阳极，使两个靶材能同步进行极性反转，将占空比从BP的50%提升至70%以上。研究人员在沉积Al_{23
的工业镀膜机上，系统调节电弧检测电压阈值（Varc threshold
）和电弧持续燃烧时间（tpersistence
），采集海量电弧事件数据，首次揭示了电源模式与电弧处理参数的协同效应。}

关键技术方法包括：1）采用工业级双磁控管溅射系统，以Al₂
O₃
为测试体系；2）对比BP与DRP?两种电源配置下的电弧特性；3）通过调节V_{arc threshold}
（50%-75%工作电压）和t_persistence
（0-2μs）获取电弧能量分布；4）利用高速数据采集系统记录电压/电流波形。

Arcing behavior, response from power supply, and measuring arc energy
研究团队捕捉到电弧演变的三个阶段：初始电压骤降（I阶段）、持续燃烧（II阶段）和电源干预后的熄灭（III阶段）。关键发现是，电弧能量主要取决于燃烧时间而非瞬时电流，这为参数优化指明方向。

Experimental results and discussion
波形分析显示，DRP?模式在t_persistence
=0μs时，电弧能量比BP模式降低40%。当V_{arc threshold}
设为75%时，两种模式均能实现μs级电弧检测，但DRP?因更高占空比展现出更稳定的等离子体环境。

Conclusion
研究证实：1）高V_{arc threshold}
与低t_persistence
组合可降低90%电弧能量；2）t_persistence
对能量影响远超V_{arc threshold}
；3）DRP?模式凭借同步极性反转特性，在保持70%高占空比的同时，将电弧能量控制在BP模式的60%以下。

这项研究为工业溅射装上了"智能灭火系统"——通过DRP?电源与微秒级电弧处理的配合，不仅延长了靶材寿命，更使绝缘薄膜的缺陷密度降低一个数量级。其意义不仅在于解决Al₂
O₃
沉积的痛点，更为SiO₂
、Si₃
N₄
等高性能介质薄膜的批量生产提供了普适性方案，推动柔性电子、光伏玻璃等产业向"零缺陷"制造迈进。