脈沖電弧離子源真空鍍膜均勻性的研究
發布時間：2024-08-15
1、前言
脈沖真空電弧離子源以其無液滴和無基底負偏壓放電等優點，得到了普遍重視。鍍膜均勻性是脈沖真空電弧離子源應用于生產實踐中需要解決的重要難題之一。脈沖真空電弧離子源發射的等離子體分布非常不均勻，在發射角45°處，等離子體的密度相當于在0°處的1/10。為解決這一問題，許多科技工作者進行了大量的探索和研究，但效果仍不明顯。米塔尼舍夫斯基在他年發表的副博士論文“脈沖陰極多弧真空放電等離子體沉積碳膜層的組織結構”中指出，以不均勻性為23%計算，脈沖真空電弧離子源的均勻范圍才達到ö60mm。鑒于此，一般的解決方法是通過掃描方法、基片轉動和多源發射等途徑來實現的。然而在制取某些膜層時，由于特殊工藝的要求，不允許基片旋轉；多源發射方法不易實現；掃描方法因設備復雜、價格昂貴也沒有得以普遍使用。因而，需要尋求其他的方法來實現脈沖真空電弧離子源鍍膜的均勻性。本文主要研究了脈沖真空電弧離子源電極和電極的幾何尺寸對膜厚均勻性的影響，介紹了采用在基片下加一個圓筒形負電位電極，改善脈沖真空電弧離子源鍍膜均勻性的方法。
2、脈沖真空電弧離子源工作原理
脈沖真空電弧離子由陰極、陽極、起弧極組成，如圖1所示。陰極由蒸發材料制成，離子源可專門制作一個陽極，也可把真空室或基片夾作為陽極。脈沖真空電弧離子源的工作原理基于冷陰極真空電弧放電。離子源陰極產生的真空電弧放電使陰極材料蒸發并電離，形成等離子體。等離子體一方面在基片(工件)上形成膜層，另一方面維持電弧放電。冷陰極電弧放電的電子發射機理主要是場致電子發射，而場致發射需要在陰極表面建立很強的電場，因此僅靠離子源陰極、陽極的電位差是不夠的，故需要引弧。實驗中采用預電離引弧法，即采用起弧電極。首先在引弧電極與陰極之間產生小電流放電，產生預電離，然后在陰極與陽極兩個主電極之間加上不很高的電壓(幾十伏到幾百伏)，使氣體擊穿形成電弧。
3、實驗及檢測結果與分析
在實驗中，首先將用超聲波清洗過的基片放到真空室內，真空度達到5mPa時，用清洗離子源清洗基片，然后把基片加熱到一定溫度，啟動脈沖真空電弧離子源工作，當達到所定脈沖數后關閉離子源，然后取出樣片進行測試。
實驗在各工藝參數即主回路電壓、起弧回路的電壓和電容、頻率和真空度不變的條件下，改變脈沖真空電弧離子源電極幾何尺寸，主要通過改變陰極(起弧極與陰極是配套的)和輔助陽極的幾何尺寸來研究對膜厚均勻性的影響。這里用膜層透過率的相對變化來表征膜厚均勻性，其具體的計算公式為
(tx-t0)/t0×100%
其中，tx為某一位置透過率；t0為中心位置透過率。
3.1、陰極尺寸對膜厚均勻性的影響
采用兩種不同直徑大小的陰極進行實驗，它們的直徑分別為ö17.5mm和ö12.5mm，此時輔助陽極高度為30mm、內徑為40mm、內孔錐度45°，所得結果如圖2所示。在ö70mm范圍內，它們的透過率相對變化分別為±41.7%、。膜厚均勻性沒有明顯變化。可見陰極的尺寸雖然改變了，但它的放電面積變化并不大。要想改善膜層均勻性，必須使陰極表面均勻放電，即弧斑在陰極表面上均勻游動。
3.2、輔助陽極對膜厚均勻性的影響
在陰極直徑為ö17.5mm，輔助陽極的基本尺寸為高度30mm、內徑40mm、內孔錐度45°的情況下，分別改變輔助陽極高度H、內徑ö、內孔錐度α進行鍍制實驗。從圖3可見，輔助陽極對鍍膜均勻性有影響，但無論采用那種情況所鍍制的膜層，它們的透過率相對變化在ö60mm范圍內都已超過±10%。
因為在鍍膜時起作用的是正離子，而輔助陽極處于正電位，對等離子體有排斥作用，圓錐形的輔助陽極使正離子匯聚于中心，從而使基片中央的膜層較厚。然而取掉輔助陽極后再做實驗，從圖3(b)可看出鍍膜均勻性有所好轉，但還是沒有明顯改善。而且在實驗中發現，由于沒有輔助陽極，沉積速率和放電穩定性明顯下降。所以在以后的實驗中選用了一個對均勻性影響較好的輔助陽極(高度30mm、內徑40mm、內孔錐度45°)。
3.3、采用附加陰極實現膜厚均勻性
由上面的分析可知，要改變脈沖真空電弧離子源鍍膜均勻性，就必須在等離子體到達基片前把等離子體拉開。由于起鍍膜作用的是正離子，于是在基片下的等離子體周圍加上一個圓筒形的負電位電極(以后簡稱附加陰極)進行實驗，發現膜層均勻性明顯改善。負電位電極放置在基片下方，電極內直徑為ö120mm，高為120mm，電位為-150V。圖4為采用了附加陰極后的膜層透過率曲線。從圖4可以得出，在ö70mm范圍內，膜層透過率相對變化為±6.8%。
正離子在陰極和基片之間的運動曲線呈紡綞型，在加入附加陰極之后，附加陰極的電場給匯聚的正離子一個沿直徑向外的作用力，減小了正離子的匯聚程度，使其向四周分散運動。所以，通過調整附加陰極本身的電位、位置和尺寸來調整電場的分布情況，可以明顯改善膜厚均勻性。
4、結論
不同陰極直徑對膜厚均勻性影響不大，要想通過改變陰極直徑大小來實現大面積的膜厚均勻性，只有實現陰極表面的均勻燒蝕；輔助陽極的形狀和尺寸對脈沖真空電弧離子源鍍膜均勻性有影響，但有一定限度；由于在陰極與陽極間電弧的特殊形態，采用改變基片與陰極表面的距離這種方法實現膜層大面積均勻是不可行的；采用在基片下加一個圓筒形負電位電極，可以明顯改善脈沖真空電弧離子源大面積的膜厚均勻性。
作者：蔡長龍，王季梅，杭凌俠，嚴一心，徐均琪
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