偏压电源怎么选？直流、单极脉冲、双极脉冲、同步偏压，区别在哪
调镀膜工艺时，大家通常先动靶功率和气体流量，偏压往往沿用“老参数”。可是同一台设备、同样加 −60 V 偏压，只是加的方式不同，膜层的残余应力就能相差 5 倍——这是林雪平大学 Greczynski 等人在 TiAlN 涂层上做出的对比结果 [1]。
偏压不只是一个电压数值。它的波形、时机以及与靶电源的搭配，决定了离子以多大的能量、在什么时刻打到正在生长的膜上。本文先讲清偏压到底在做什么，再逐一比较直流、单极脉冲、双极脉冲和同步偏压四种方式，最后给出一份按膜层对号入座的选型清单。文中数据均来自公开论文，文末附 DOI。
一、偏压到底在做什么
工件加上负偏压后，表面会形成一层很薄的鞘层。等离子体里的正离子穿过鞘层被加速，以大约“电荷数 ×（等离子体电位 − 工件电位）”的能量撞击膜面；电子则被推开。而中性原子不带电，偏压对它们完全不起作用。
适量的离子轰击能把疏松的柱状晶“砸实”，提高致密度和硬度；轰击过量，则会把氩原子钉进晶格、制造大量点缺陷，膜层压应力急剧上升，严重时出炉后自己就崩掉了。
关键不是电压，而是“能量 × 数量”
Greczynski 等在论文中总结了 Ti0.5Al0.5N 的前期研究 [2]：离子能量低（≤20 eV）、但离子与金属原子的到达比高（≥5.2）时，膜层致密、晶粒更大、残余应力低；离子能量高（≥100 eV）时，会引入过量氮和点缺陷，柱状晶变细、压应力升高，并析出六方 AlN 第二相。
换句话说，同样想把膜“砸实”，多而轻的轰击优于少而重的轰击。
同样加偏压，直流磁控和 HiPIMS 效果天差地别
瑞典乌普萨拉大学 Elo 等人在同一台设备上制备 CrN 膜，分别采用直流磁控溅射（DCMS）和 HiPIMS，对比偏压的影响 [3]：
图1 偏压对残余应力的影响（左：CrN，Elo 2020 [3]；右：TiAlN，Greczynski 2012 [1]）。正值为拉应力，负值为压应力
▸ DCMS：偏压从 0 V 加到 −250 V，残余应力只从 +380 MPa（拉应力）变到 +320 MPa，几乎不变；
▸ HiPIMS：−30 V 时为 −280 MPa（压应力），−50 V 时已达 −1170 MPa；
▸ HiPIMS 下 −100 V 和 −250 V 的膜，出炉后从大多数基片上自行剥落，−100 V 膜的应力估算接近 −4 GPa。
原因并不复杂：直流磁控溅射出来的金属原子绝大多数是中性的，偏压只能加速其中很少的离子；HiPIMS 中相当一部分金属原子被电离，偏压每加几十伏，膜层受到的轰击都会成倍增加。
所以“偏压该设多少”没有通用答案，必须结合靶电源的离化程度来定。从直流磁控换到 HiPIMS 时，沿用原来的偏压往往会把膜做崩，需要从低值重新扫。
二、四种偏压方式，各自解决什么问题
图2 四种偏压波形示意（非实测波形，仅示意时序关系）
1. 直流偏压：简单稳定，但怕绝缘膜和打弧
工件始终保持恒定负电压，结构最简单，离子能量稳定，适合导电膜层（金属、TiN、CrN 等）在常规磁控溅射下沉积。它有两个短板：
一是绝缘膜“充电”。膜层如果是氧化物或高电阻的类金刚石，到达表面的正离子电荷无处释放，表面电位逐渐抬高，设定的偏压被一点点“吃掉”。Anders 等指出，这种充电会使离子能量以不受控的方式降低，还可能击穿膜层、在工件上引发打弧 [5]。
一个量级估算（推论，非文献直接结论）
以 1 μm 厚的 Al2O3 膜（相对介电常数约 9）、1 mA/cm² 的离子电流密度计算：膜表面每 100 μs 约被充电 12 V，直流偏压下不到 1 ms，表面电位就能抬高 100 V 以上——设定的 −100 V 偏压实际已基本失效。
改用 100 kHz 脉冲后，每个周期只充电约 1 V，并在脉冲间隙被中和。
该估算忽略了膜层漏电等因素，实际情况会缓和一些，但量级足以说明问题。
二是工件打弧。直流下一旦在工件尖角、毛刺或脏污处起弧，电弧可以持续发展，烧伤工件表面。
2. 单极脉冲偏压：防打弧，并多出一个“占空比”旋钮
负电压按一定频率和占空比通断。Anders 在综述中指出，短脉冲偏压能大幅降低工件打弧的概率：电弧发射点需要一定时间才会过热失稳，脉冲在它成形之前就结束了 [4]。脉冲间隙鞘层消失，电子得以到达表面，中和积累的正电荷 [5]。
另一个好处是占空比成了独立的旋钮：峰值电压决定单个离子的能量，占空比决定总轰击量和工件温升，两者可以分开调。
适合：电弧离子镀、形状复杂的工件、轻度绝缘或容易中毒的反应溅射。
3. 非对称双极脉冲偏压：给绝缘膜“主动放电”
在负脉冲之后加一个短的正向脉冲。正向期间工件电位高于周围，电子被主动拉到表面，比只靠脉冲间隙“等电子过来”中和得更快、更彻底（推论：原理与靶端双极脉冲电源抑制中毒打弧相同）。
适合：氧化铝、氧化硅等氧化物膜，含氢类金刚石（a-C:H），以及反应溅射中工件表面容易覆盖绝缘层的工况。
要注意：双极脉冲解决的是“膜面充电”，不是“基材绝缘”
日本产业技术综合研究所的 Nakao 等用双极型等离子体离子注入（PBII），同时在导电硅片和绝缘玻璃上沉积类金刚石膜。XPS 测得玻璃上的膜 sp3 比例更低 [6]——基材本身绝缘时，到达膜面的有效离子能量仍会打折扣。
玻璃、陶瓷等绝缘基材的偏压问题，需要从夹具和电容耦合方式入手，本号往期 TGV 玻璃通孔文章有专门讨论。
4. 同步偏压：只让“对的离子”打到膜上
HiPIMS 的一个脉冲里，先大量到达工件的是气体离子（Ar+），金属离子随后才成为主体。同步偏压与 HiPIMS 脉冲联动，只在金属离子到达的时间窗内加偏压，其余时间关断。
Greczynski 等的 TiAlN 对照实验 [1]
条件：Al 靶用 HiPIMS、Ti 靶用直流磁控共溅射，偏压均为 −60 V，离子与金属的总到达比保持不变，只改变偏压的加法。
▸ 直流连续偏压：膜中氩含量 0.2 at%，压应力 −4.6 GPa，出现六方 AlN 第二相；
▸ 与整个 HiPIMS 脉冲同步：压应力降至 −1.8 GPa，检测不到氩；
▸ 只在金属离子阶段同步：压应力进一步降至 −0.9 GPa，单相、致密柱状晶、强 (111) 取向。
轰击的总量没变，只是把打到膜上的 Ar+ 换成了 Al+，膜层就从双相、高应力变成单相、低应力。同步延时怎么确定、怎么扫，可参考本号往期《HiPIMS与高频偏压的同步时序调控》；HiPIMS 镀前的金属离子刻蚀同样依赖同步偏压，见往期《膜为什么会掉？HiPIMS金属离子刻蚀》。
三、怎么选：按膜层和工艺对号入座
导电膜（金属、TiN、CrN 等）＋ 直流/中频磁控溅射
直流偏压通常即可满足；工件形状复杂、打弧频繁时，改用单极脉冲。
电弧离子镀
优先单极脉冲偏压，降低工件打弧风险，并用占空比控制温升。
绝缘或高阻膜（Al2O3、SiO2、a-C:H 等）、容易中毒的反应溅射
非对称双极脉冲偏压，频率宜高，必要时提高正向脉冲幅值或时长。
HiPIMS 工艺
同步偏压，只在金属离子窗口加压；电压要比直流磁控时明显调低，建议从几十伏起扫。
玻璃、陶瓷等绝缘基材
高频脉冲串 ＋ 背电极/夹具设计，单靠提高偏压电压解决不了耦合问题。
四、调参数时的四个要点
① 先看离化程度，再定电压。HiPIMS 下几十伏就足以显著改变应力 [3]；而镀前金属离子刻蚀需要数百到上千伏，两个阶段对偏压电源的电压范围要求完全不同。
② 频率和占空比分工不同。频率决定每个周期的充电量，占空比决定总轰击量和温升。绝缘膜优先提高频率。
③ 离子“是谁”同样重要。二价离子（如 Ti2+、Cr2+）在同样偏压下获得的能量是一价离子的两倍。Greczynski 等发现，HiPIMS 用在 Ti 靶上（含较多 Ti2+）时，TiAlN 变成双相，硬度仅 18–19 GPa，压应力最高 2.7 GPa；改用在 Al 靶上（以 Al+ 为主）时，硬度约 30 GPa，应力仅 0.2–0.7 GPa（拉应力）[2]。
④ 偏压电流不能只看平均值。工件面积越大、等离子体越密，离子电流越大；HiPIMS 脉冲期间工件电流还会出现尖峰，偏压电源的峰值电流能力和灭弧响应要与之匹配（推论）。
五、偏压电源选型清单
▸ 电压范围：生长阶段几十伏到一两百伏要稳得住，刻蚀阶段要能升到上千伏；
▸ 波形：直流、单极脉冲、双极脉冲能否在一台电源上切换；
▸ 频率与占空比：可调范围是否覆盖绝缘膜所需的高频；
▸ 电流能力：平均电流与峰值电流都要留余量；
▸ 灭弧：检测方式、响应速度，以及每次打弧泄放的能量；
▸ 同步能力：能否接收靶电源触发，延时范围和抖动是多少，能否只在指定时间窗输出；
▸ 通讯与联动：能否接入设备 PLC，实现工艺配方化。
六、精新 JX-MSB 的做法
精新电源的 JX-MSB 高频脉冲磁控溅射/偏压多功能电源，把上面几种偏压方式集成在一台电源里：
▸ 输出波形：负向直流、正向直流、负向单极脉冲、正向单极脉冲、非对称双极脉冲；
▸ 输出电压：负向 −50～−1000 V，正向 +1～+120 V；
▸ 负脉冲平均功率 20 / 30 / 40 kW 多型号可选，负脉冲平均电流最高 68 A；
▸ 频率最高 150 kHz，占空比 5%～95%；
▸ 与精新 HiPIMS 电源同步：抖动 <50 ns，延时 10～500 μs 可调，可设定脉冲个数；
▸ 微分弧检测 ＋ 四象限弧管理；
▸ 溅射/偏压双模式，RS-485、以太网接口，Modbus 通讯。
一台 JX-MSB 既可以作为常规偏压电源使用，也能与 JX-HiPIMS-Max 配合实现同步偏压和金属离子刻蚀；需要时还可以切换为溅射电源。
偏压选型说到底只有一个目标：让合适能量的合适离子，在合适的时间打到膜上。如果您在偏压设置上遇到问题，欢迎留言交流。
参考文献
[1] G. Greczynski, J. Lu, J. Jensen, I. Petrov, J.E. Greene, S. Bolz, et al. Metal versus rare-gas ion irradiation during Ti1−xAlxN film growth by hybrid high power pulsed magnetron/dc magnetron co-sputtering using synchronized pulsed substrate bias. J. Vac. Sci. Technol. A 30 (2012) 061504. DOI: 10.1116/1.4750485
[2] G. Greczynski, J. Lu, M. Johansson, J. Jensen, I. Petrov, J.E. Greene, L. Hultman. Selection of metal ion irradiation for controlling Ti1−xAlxN alloy growth via hybrid HIPIMS/magnetron co-sputtering. Vacuum 86 (2012) 1036–1040. DOI: 10.1016/j.vacuum.2011.10.027
[3] R. Elo, S. Jacobson, T. Kubart. Tailoring residual stresses in CrNx films on alumina and silicon deposited by high-power impulse magnetron sputtering. Surf. Coat. Technol. 397 (2020) 125990. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125990
[4] A. Anders. Fundamentals of pulsed plasmas for materials processing. Surf. Coat. Technol. 183 (2004) 301–311. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2003.09.049
[5] A. Anders, N. Pasaja, S.H.N. Lim, T.C. Petersen, V.J. Keast. Plasma biasing to control the growth conditions of diamond-like carbon. Surf. Coat. Technol. 201 (2007) 4628–4632. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2006.09.313
[6] S. Nakao, T. Sonoda. Effects of electrical conductivity of substrate materials on microstructure of diamond-like carbon films prepared by bipolar-type plasma based ion implantation. J. Phys.: Conf. Ser. 417 (2013) 012062. DOI: 10.1088/1742-6596/417/1/012062