電弧源薄膜制備磁過濾系統(tǒng)電磁場模塊調整的研究

王昆　馬貝

摘 要：電弧源薄膜制備具有高離化率、高離子能量和高沉積速率的特點，但是“大顆粒”問題嚴重影響著薄膜的質量。文中采用YBHИΠA-1-001型硬質鍍膜機，研究分析了磁過濾系統(tǒng)中的偏移磁場、聚焦磁場、穩(wěn)弧磁場及其相互作用。針對陰極靶材周圍的電磁場的作用，本文采取大量實驗觀察分析，最終得到如下結論：通過偏移磁場幅值的調整，陰極靶材表面放電區(qū)域從靶材表面一側向另一側移動；而聚焦磁場則主要影響靶材表面放電區(qū)域的大小，穩(wěn)弧磁場主要影響陰極弧斑在靶材表面運動的穩(wěn)定性。

關鍵詞：電弧源；磁過濾；陰極弧斑；偏移磁場；聚焦磁場；穩(wěn)弧磁場

電弧源薄膜制備技術具有高離化率、高離子能量和高沉積速率的優(yōu)點，在類金剛石硬質薄膜、復合成分硬質膜層、金屬化合物薄膜、透明導電膜的制備方面具有重要的意義，特別是在TiN等硬質涂層領域，已經(jīng)成為最主要的制備技術[ 1-3 ]。對于嚴重影響電弧源技術制備薄膜質量的“大顆粒”問題，通過磁過濾技術的引入將得到極大改善，從而使其在光學薄膜的制備領域得到延展[ 4-5 ]。目前對于電弧源薄膜制備技術的研究大多集中在薄膜特性和“大顆粒”的去除方面，但是關于靶材周圍電磁場對電弧源工作穩(wěn)定性影響的研究甚少，特別是關于陰極靶材表面放電情況隨磁場的變化缺少研究。因此本文在陰極電弧源薄膜制備技術的基礎上，研究了磁過濾模塊中的偏移磁場、聚焦磁場和穩(wěn)弧磁場對電弧源工作穩(wěn)定性的影響。

1 實驗

1.1 實驗設備

實驗設備采用YBHИΠA-1-001型硬質鍍膜機，該設備采用電弧源進行薄膜制備，原理如圖1所示。實驗中，陰極靶材通過引弧作用電離產(chǎn)生等離子體，靶材粒子離開陰極表面后經(jīng)過磁場區(qū)域，由于電離的靶材粒子帶有電荷，因此將產(chǎn)生偏轉效應，而大顆粒由于承電中性，則繼續(xù)沿著射出方向運動。如圖所示，兩者將產(chǎn)生分離，從而薄膜成膜質量將大幅度提高。

1.2 實驗方法

實驗中陰極靶材附近電磁場模塊結構如圖2所示，該結構主要分為兩部分，一部分由橫向放置的三組通電線圈產(chǎn)生磁場，分別形成偏移磁場、聚焦磁場和穩(wěn)弧磁場作用；另一部分由縱向放置的一組通電線圈產(chǎn)生磁過濾磁場，而陰極靶材主要受前者影響。實驗中，由于陰極靶電流的改變將會影響磁場的作用，因此實驗中將陰極靶電流固定在90A，其他基本參數(shù)為：本底真空度5×10-3Pa，Ar氣體流量70sccm，工作真空度2.3×10-1Pa。

2 實驗結果及分析

2.1 偏移磁場

首先對偏移磁場進行調整，而聚焦磁場需要適當進行調整，以便具有更好的觀測效果。實驗觀察，隨著偏移磁場幅值的增加，陰極靶材表面放電區(qū)域出現(xiàn)平移效果，如圖3所示，實驗中隨著偏移磁場幅值的增加，陰極靶材表面放電區(qū)域由左向右沿徑向移動，當調至24mV左右時，放電區(qū)域主要集中在陰極靶材表面中心區(qū)域。

2.2 聚焦磁場

實驗中調整聚焦磁場幅值，可觀察到圖3所示現(xiàn)象。實驗中將偏移磁場設為24mV，逐漸增加聚焦磁場，結果陰極靶材表面放電區(qū)域逐漸呈收縮變化，當幅值在3.2A左右時，放電區(qū)域基本收縮在靶材表面且面積較大。

2.3 穩(wěn)弧磁場

實驗中，選用多種陰極靶材（鋁、銀、鈦、鉭），通過大量實驗觀察，當調整穩(wěn)弧磁場時，針對每一種陰極靶材，穩(wěn)弧磁場都會有一定的幅值區(qū)間，區(qū)間內隨著幅值的增加，陰極靶材表面的放電劇烈程度和穩(wěn)定性均程遞增趨勢。

2.4 磁場的相互影響

通過以上實驗觀測，單一調整三組磁場模塊時，陰極靶材放電情況均會受到不同的影響，主要表現(xiàn)為陰極靶材放電區(qū)域在位置、面積大小、劇烈程度方面的變化；但是當交叉調整時，相互之間又均會對其他磁場模塊的效果產(chǎn)生影響，歸于靶材附近磁力線的改變。分別選用不同陰極靶材（鋁、銀、鈦、鉭），并且綜合調整三組模塊，三者之間的影響主要表現(xiàn)為隨著偏移磁場的增加，當其高于某值后（靶材不同幅值有所變化），聚焦模塊和穩(wěn)弧模塊的調整也將影響陰極靶材表面放電區(qū)域位置的變化，即沿某一徑向移動。

3 總結

本文在陰極電弧源薄膜制備技術的基礎上，研究（下轉第156頁）（上接第143頁）了磁過濾模塊中的偏移磁場、聚焦磁場和穩(wěn)弧磁場對電弧源工作穩(wěn)定性的影響。通過大量的實驗觀測和分析，單獨調整偏移磁場、聚焦磁場和穩(wěn)弧磁場，則分別影響陰極靶材表面放電的位置、面積大小和劇烈程度；綜合調整三組磁場時，則主要表現(xiàn)為隨著偏移磁場的增加，當其高于某值后（靶材不同幅值有所變化），聚焦模塊和穩(wěn)弧模塊的調整也將影響陰極靶材表面放電區(qū)域位置的變化，即沿某一徑向移動。因此，在采用陰極電弧源制備薄膜時，綜合本文以上結論調整電磁場模塊，調整效率及工作穩(wěn)定性將得到有效促進。

參考文獻：

[1] 聞立時，黃榮芳.離子鍍硬質膜技術的最新進展和展望[J].真空，2000，（1）：1-11.

[2] 苗景峽，王桂榮，吳茂林.電弧放電離子鍍[J].光學工程，1988，6：13-16.

[3] 姜雪峰，劉清才，王海波.多弧離子鍍技術及其應用[J].重慶大學學報（自然科學版），2006，29（10）：55-57

[4] 戴華.真空陰極電弧離子鍍層中大顆粒去除技術研究[D].上海.上海交通大學，2009.

[5] 吳瑜光，張通和，張薈星，等.磁過濾陰極真空弧沉積薄膜研究[J].微細加工技術，2001，1：45-49.