PVD多弧離子鍍設備陰極電弧蒸發源工作穩定性的研究
發布時間：2020-06-05
一、引言
多弧離子鍍設備中陰級電弧藕發源(靶)的真空電弧放電其工作電流一般為60～100A或更高些，工作電壓約20V，電弧電流集中在靶面的陰極弧斑上，斑點面積很小，電流密度很高。在無外加磁場的情況下，陰極孤斑在靶面上的運動是無規則的，其顛簸運動速度達每秒幾米，由于這種無規則的運動，若斑點移到蒸發面以外，可能導致滅弧、損壞裝置及污染膜層。如何使蒸發源穩定工作，提高蒸發源的工作性能，對提高設備的整機水平，提高膜層質量極為重要。
二、多弧靶真空電弧穩定性的影響因素
對多弧靶真空電弧的穩定性問題，許多科技工作者已進行了大量的試驗研究工作，發表
過許多論文，提出了一些提高電弧燃燒穩定性辦法。L.P．Sablev曾提出采用間隙屏蔽和采用一些反饋機構來提高電弧的穩定性；H.Wroe建議采用磁場限制陰極弧斑的運動；C.F.Morrison.Jr．則利用限弧環限制弧斑移離蒸發表面的辦法來維持電弧的正常燃燒。
通過大量的實驗研究發現，多弧靶電弧放電的穩定性與許多因素有關。影響效果最顯著的是磁場對電弧燃燒穩定性的影響；同時陰極表面的清潔程度、陰極靶面的幾何尺寸、幾何形狀及表面狀態、陰極靶面的表面溫度、電弧電流的大小、真空室內真空度及環境氣氛種類等對多弧靶電弧燃燒的穩定性都有不同程度的影響。
三、實驗現象及分析
1．磁場對多弧靶電弧燃燒穩定性的影響
多弧離子鍍設備靶源的真空電弧放電是以場致發射為主，熱電子發射為輔。場致發射所需的強電場是靠靶面前的空間電荷產生的，這種真空電弧放電具有相當高的離化率，一般離化率為60％～90％，在真空室內特別是靶面附近基本上是完全的等離子體。由于磁場對帶電粒子的運動具有很大的影響，從而真空電弧受磁場的控制。
圖1是無外加磁場情況下多弧靶電弧放電的形貌。在這種情況下，陰極弧斑為堆團狀，且在靶面上無規則運動，這時電弧燃燒極不穩定，時常滅弧，靶面刻蝕極為粗糙。
圖1
圖2
圖2是在靶面附近加一非軸對稱磁場且磁力線平行于靶面的情況下電弧放電的弧斑形貌，這種情況下弧斑亦為堆團狀，其運動是沿一個方向(與磁場方向有關)，最后停留于靶面外沿一點至到滅弧。
當靶面處加一相對于靶面軸對稱的磁場時，堆團狀弧斑消失，弧斑在靶面上繞靶軸心作旋轉運動，形成幾條微細的弧環。這種情況下的放電穩定性較好(參見圖3)。在陰極靶面上，弧斑位置受磁場控制，靶面處電弧燃燒比較穩定的地方也就是磁場最強的地方。
在無外加磁場的情況下，陰極電弧為堆團狀。產生這種堆團狀弧斑的原因有二點：其一是電弧本身產生的自磁壓縮，類似于兩根平行導線通過同向電流一樣，相互作用力互相吸引。其二是由于弧斑的集中，使弧斑下的陰極靶面溫度極高，產生大量的熱電子發射，導致弧斑的再集中。這種情況下的弧斑造成靶面的局部熔化，大量蒸發，甚至產生金屬液滴的飛濺，靶面產生大量的弧坑，同時影響膜層質量。這種無規則運動的弧斑很容易移到非蒸發面造成電弧的熄滅。
當靶面附近加一平行靶面的磁場時(參見圖2)在磁場作用下帶電粒子只受到一個方向力的作用，導致弧斑沿一個方向運動且迅速停留在靶邊沿一點，最后熄滅。
靶面附近加一軸對稱磁墑的情況就不同了，由于這時磁場既有軸向分量，又有徑向分量，靶面附近的帶電粒子(從靶面蒸發出來及被電離的)一般其初速度方向與靶面垂直，在磁場徑向分量的作用下及粒子間的相互碰撞，使帶電粒子產生徑向和周向運動，即
這樣增加了帶電粒子在空間的運動路程，使其有更多的碰撞、電離機會，同時也改變了空間電荷在靶面前的分布，使其按磁場分布而分布，前兩種情況下的堆團狀弧斑分散成均勻的環狀弧斑。另一方面，弧電流的周向分量與磁場的徑向分量作用形成穩弧力，即
結果使堆積靶面前的空間電荷更加接近靶面(參見圖4)，形成強大電場，維持電弧的正常燃燒。
磁場設置的是否合理，直接影響到多弧靶工作的特性。不僅如此，磁場還可提高陰極與陽極間的電勢，使從陰極靶源釋放出的原子數目和粒子束通量密度增加，從而導致靶源沉積率增加，同時磁場還能改善靶源產生的離子束的方向。
2．陰極表面污染對電弧燃燒穩定性的影響
我曾對冷陰極電弧作過這樣的試驗，在相同的放電條件下(如相同的工作氣氛，相同的真空度，相同的引弧電壓等)，表面很清潔的陰極(如已經過燃燒后的陰極)引弧時比較困難，而表面有污染的陰極(如表面涂有污物的陰極)引弧卻很容易。顯然陰極表面有污染時容易產生表面的電子發射。一般污物本身含有多種成分，某些元素很容易發射電子，另一方面受污染的陰極表面其電子的逸出功降低也比較容易產生電子發射。多弧設備的陰極靶源(特別是新靶)其表面通常含有初始污染(如吸附氧等)，由于氧可發射大量的電子，初始電弧更容易發生在有污染的地方，直到表面污染被蒸發完畢才開始正常的靶材蒸發。所以在靶源的裝配過程中，應保證在清潔的狀態下進行，盡量使靶表面特別是非蒸發表面(如側面、陰極座、屏蔽件等)不受污染，防止在非蒸發面放弧，提高靶源工作的穩定性和可靠性。另外陰極表面上大量的小孔也會引起對電弧燃燒穩定性的嚴重干擾。
3．靶源幾何尺寸及幾何形狀對電弧穩定性的影響
電弧放電弧斑不僅受磁場的限制，也受到靶源邊界的限制。陰極靶面面積越大，可供弧斑移動的區域就越大，越益于電弧的穩定燃燒，在相同的工件條件下，Φ250mm的大面積靶源即使在無外加磁場的情況下也可維持電弧放電的進行，只是這時弧斑很粗糙，而Φ6mm的小靶源根本無法保持電弧放電的進行。
在磁場設置等條件相同的情況下，靶源蒸發表面為平面時不容易維持電弧的穩定燃燒，而將靶面加工成凹面時(參見圖5)電弧燃燒比較穩定。
多弧靶源磁場的設置均為軸對稱場，前面已經談到，磁場既有軸向分量，又有徑向分量靶面附近的帶電粒子(垂直靶面運動)在徑向磁場的作用下產生周向運動，而周向運動的帶電粒子在軸向磁場的作用下將產生-徑向推力，即
結果在F作用下帶電粒子向靶外沿方向移動(參見圖6)。當靶面為凹面時，由于靶面外沿凸出，阻止了帶電粒子移出靶面外，同時離子轟擊靶面外沿凸出部分，產生二次電子發射，有助于電弧的穩定燃燒。
4．陰極靶面表面溫度對電弧燃燒穩定性的影響
多孤離子鍍設備靶源的陰極電弧放電燃燒的穩定性依賴于陰極蒸發表面的溫度，陰極表面溫度的降低會帶來電弧燃燒很高的穩定性。同時陰極蒸發表面溫度的降低也會使金屬蒸氣中的大的濺射物和大的粒子數降低。
觀察靶陰極電弧的燃燒情況，每當電弧熄滅前，總是發現電弧弧斑極為粗糙(參見圖7)。有時甚至出現堆團狀弧斑。熄滅后觀察靶面已發紅，靶表面溫度很高，粗糙弧斑的出現，使弧電流較集中于靶面一點，導致了弧斑下靶面斑點電流過于集中，使弧斑下的靶面溫度更高而產生大量的熱電子發射。靶面局部大量的熱電子發射的結果，一方面中和了大量的空間電荷，使陰極表面上的電場成為減速場，甚至導致陰極表面上的電場等于零。另一方面，大量的熱電子發射對陰極表面產生相當大的冷卻作用。
結果既沒有空間電荷產生的強大電場來維持表面發射，也不具備極高的表面溫度來產生熱電子發射，導致電弧的熄滅。所以在多弧靶源的設計中，應注意給陰極靶以充分的冷卻，最好采用直接水冷，間接水冷時，陰極座等相鄰部件應選用導熱性能良好的材料(如銅、鋁等)。
5．電弧電流大小及真空度高低對電弧燃燒穩定性的影響
多弧靶源的真空電弧放電其電弧電流是由靶面上的陰極弧斑提供的，對某一材質的陰極靶來說，陰極斑點上所能承受的電流值是一定的，表1列出了不同陰極材料陰極斑點的平均電流值。陰極斑點數與電弧電流值成正比。隨著電弧電流的增加，陰極斑點的數目也增加，且相互獨立的運動。圖8給出了幾種材料的陰極斑點數與陰極電弧電流間的關系曲線。假定因某種原因造成某個弧斑熄滅，但其余的弧斑仍然正常燃燒并很快分裂恢復原來的電流值和弧斑數目，使電弧得以穩定燃燒。所以電弧電流越大，電弧斑點數就越多，滅弧的可能性就越小。
電弧放電時，真空室內的真空度越低越益于電弧放電的穩定燃燒。隨著真空度的降低，真空室內氣體分子密度增加，從而有更多的氣體和金屬蒸氣被電離，容易維持電弧放電的正常燃燒。在相同的工作條件下，在靶面附近通入工作氣體時電弧燃燒的穩定性比不在靶面附近通氣時要好。
6．環境氣體種類對電弧燃燒穩定性的影響
不同種類的氣體具有不同的電離電位，表2列出了幾種元素典型的激發與電離電位數值。
在相同的工作條件下，一些氣體容易被電離，一些氣體不易被電離。實驗表明，電弧放電時用N2氣作工件氣體比用Ar氣時電弧的穩定性要好。從表2中可以看出，N和Ar產生一次電離所需要的能量相差不大(1.215V)，但二者的亞穩激發所需要的能量相差較大(9.17V)，在離子氣相沉積中，亞穩中性原子的存在對提高電離幾率起著很重要的作用。N2為雙原子分子，在被電離之前大多被分解，分子的分解能和同元素的原子電離能比是很低的，在低壓等離子體中電子具有很高的能量，它起著重要的媒介作用。電場能量轉化為電子的動能，電子再將能量傳遞給分子、原子使其產生分解、激發、電離。由于N2的分解、激發所需要的能量比較小，很容易被分解和激發，受激原子已獲得了一部分能量，再有較少的能量就可以被電離-累積電離。這樣N2的電離比較容易，它既可以逐次的獲得能量產生累積電離，同時也可以一次獲得較高能量而直接被電離。同N2比Ar氣由于激發能較高，產生累積電離的幾率較少，只有一次獲得足夠高的能量才可產生電離，這樣Ar氣比N2氣電離困難，造成N2比Ar維持電弧燃燒的穩定性好。
四、結論
1．外加磁場對多弧靶源的電弧放電的穩定燃燒有相當大的影響，合理的磁場設置將帶來電弧燃燒好的穩定性。
2．電弧燃燒的穩定性與陰極靶面溫度有關，過高的陰極靶面溫度對電弧燃燒的穩定性有不利的影響。
3．電弧電流越大，陰極靶面面積越大，越有益于電弧的穩定燃燒
4．放電真空度低，陰極靶面有凹面，靶源表面清潔程度好時，電弧放電穩定性較好。
5．電弧放電其環境氣體種類對電弧的穩定性有一定的影響。
文章來源于互聯網，作者袁哲、張樹林、李爭顯、王福貞
文章來源于互聯網，作者袁哲、張樹林、李爭顯、王福貞
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