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脈沖電弧離子源真空鍍膜均勻性的研究
發(fā)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(fù)偏壓放電等優(yōu)點(diǎn)，得到了普遍重視。鍍膜均勻性是脈沖真空電弧離子源應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中需要解決的重要難題之一。脈沖真空電弧離子源發(fā)射的等離子體分布非常不均勻，在發(fā)射角45°處，等離子體的密度相當(dāng)于在0°處的1/10。為解決這一問題，許多科技工作者進(jìn)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(fā)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(jié)構(gòu)”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(dá)到ö60mm。鑒于此，一般的解決方法是通過掃描方法、基片轉(zhuǎn)動和多源發(fā)射等途徑來實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)；多源發(fā)射方法不易實(shí)現(xiàn)；掃描方法因設(shè)備復(fù)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(shí)現(xiàn)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(fù)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(fā)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(chǎn)生的真空電弧放電使陰極材料蒸發(fā)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(fā)射機(jī)理主要是場致電子發(fā)射，而場致發(fā)射需要在陰極表面建立很強(qiáng)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(shí)驗(yàn)中采用預(yù)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(chǎn)生小電流放電，產(chǎn)生預(yù)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(shí)驗(yàn)及檢測結(jié)果與分析
在實(shí)驗(yàn)中，首先將用超聲波清洗過的基片放到真空室內(nèi)，真空度達(dá)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(dāng)達(dá)到所定脈沖數(shù)后關(guān)閉離子源，然后取出樣片進(jìn)行測試。
實(shí)驗(yàn)在各工藝參數(shù)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，它們的直徑分別為ö17.5mm和ö12.5mm，此時輔助陽極高度為30mm、內(nèi)徑為40mm、內(nèi)孔錐度45°，所得結(jié)果如圖2所示。在ö70mm范圍內(nèi)，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(nèi)徑40mm、內(nèi)孔錐度45°的情況下，分別改變輔助陽極高度H、內(nèi)徑ö、內(nèi)孔錐度α進(jìn)行鍍制實(shí)驗(yàn)。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(nèi)都已超過±10%。
因?yàn)樵阱兡r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(shí)驗(yàn)，從圖3(b)可看出鍍膜均勻性有所好轉(zhuǎn)，但還是沒有明顯改善。而且在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于沒有輔助陽極，沉積速率和放電穩(wěn)定性明顯下降。所以在以后的實(shí)驗(yàn)中選用了一個對均勻性影響較好的輔助陽極(高度30mm、內(nèi)徑40mm、內(nèi)孔錐度45°)。
3.3、采用附加陰極實(shí)現(xiàn)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(dá)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(fù)電位電極(以后簡稱附加陰極)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)膜層均勻性明顯改善。負(fù)電位電極放置在基片下方，電極內(nèi)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(nèi)，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(yùn)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(yùn)動。所以，通過調(diào)整附加陰極本身的電位、位置和尺寸來調(diào)整電場的分布情況，可以明顯改善膜厚均勻性。
4、結(jié)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(shí)現(xiàn)大面積的膜厚均勻性，只有實(shí)現(xiàn)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(tài)，采用改變基片與陰極表面的距離這種方法實(shí)現(xiàn)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(fù)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(yán)一心，徐均琪
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