PVD多弧离子镀设备阴极电弧放电稳定性研究

    一、引言

    多弧离子镀设备中阴极电弧蒸发源（靶）的放电工作电流一般为60-120A或更高些，工作电压约20V，电弧电流集中在靶面的阴极弧斑上，斑点面积很小，电流密度很高。在无外加磁场的情况下，阴极弧斑在靶面上的运动是无规则的，其颠簸运动速度达每秒几米，由于这种无规则的运动，若斑点移到蒸发面以外，可能导致灭弧、损坏装置及污染膜层。如何使蒸发源稳定工作，提高蒸发源的工作性能，对提高设备的整机水平，提高膜层质量极为重要。

    二、多弧靶真空电弧稳定性的影响因素

    对多弧靶真空电弧的稳定性问题。许多科技工作者已进行了大量的试验研究工作，发表过许多论文、提出了一些提高电弧燃烧稳定性办法。L.P.Sablev曾提出采用间隙屏蔽和采用一些反馈机构来提高电弧的稳定性；H.Wroe建议采用磁场限制阴极弧斑的运动；C.F.Morrison.Jr.则利用限弧环限制弧斑移离蒸发表面的办法来维持电弧的正常燃烧。

    通过大量的实验研究发现，多弧靶电弧放电的稳定性与许多因案有关。影响效果最显著的是磁场对电弧燃烧稳定性的影晌；同时阴极表面的清洁程度、阴极靶面的几何尺寸、几何形状及表面状态、阴极靶面的表面温度、电弧电流的大小、真空室内真空度及环境气氛种类等对多弧靶电弧燃烧的稳定性都有不同程度的影响。

    三、实验现象及分析

    1、磁场对多弧靶电弧燃烧稳定性的影响

    多弧离子镀设备靶源的真空电弧放电是以场致发射为主，热电子发射为辅。场致发射所需的强电场是靠靶面前的空间电荷产生的。这种真空电弧放电具有相当高的离化率，一般离化率为60%-90%，在真空室内特别是靶面附近基本上是完全的等离子体。由于磁场对带电粒子的运动具有很大的影响，从而真空电弧受磁场的控制。

    在无外加磁场情况下，阴极弧斑为堆团状，且在靶面上无规则运动，这时电弧燃烧极不稳定，时常灭弧，靶面刻蚀极为粗糙。

    在靶面附近加一非轴对称磁场且磁力线平行于靶面的情况下，弧斑亦为堆团状，其运动是沿一个方向（与磁场方向有关），最后停留于靶面外沿一点至​灭弧。

    当靶面处加一相对于靶面轴对称的磁场时，堆团状弧斑消失，弧斑在靶面上绕靶轴心作旋转运动，形成几条微细的弧环。这种情况下的放电稳定性较好，在阴极靶面上，弧斑位置受磁场控制，靶面处电弧燃烧比较稳定的地方也就是磁场最强的地方。

    在无外加磁场的情况下，阴极电弧为堆团状。产生这种堆团状弧斑的原因有二点：其一是电弧本身产生的自磁压缩，类似于两根平行导线通过同向电流一样，相互作用力互相吸引。其二是由于弧斑的集中，使弧斑下的阴极靶面温度极高，产生大量的热电子发射，导致弧斑的再集中。这种情况下的弧斑造成靶面的局部熔化，大量蒸发，甚至产生金属液滴的飞溅，靶面产生大量的弧坑，同时影响膜层质量。这种无规则运动的弧斑很容易移到非蒸发面造成电弧的熄灭。

    当靶面附近加一平行靶面的磁场时，在磁场作用下带电粒子只受到一个方向力的作用，导致弧斑沿一个方向运动且迅速停留在靶边沿一点，最后熄灭。

    靶面附近加一轴对称磁场的情况就不同了，由于这时磁场既有轴向分量，又有径向分量，靶面附近的带电粒子（从靶面蒸发出来及被电离的）一般其初速度方向与靶面垂直，在磁场径向分量的作用下及粒子间的相互碰撞，使带电粒子产生径向和周向运动，这样增加了带电粒子在空间的运动路程，使其有更多的碰撞、电离机会，同时也改变了空间电荷在靶面前的分布，使其按磁场分布而分布，前两种情况下的堆团状弧斑分散成均匀的环状弧斑。另一方面，弧电流的周向分量与磁场的径向分量作用形成稳弧力，结果使堆积靶面前的空间电荷更加接近靶面，形成强大电场，维持电弧的正常燃烧。

    磁场设置的是否合理，直接影响到多弧靶工作的特性。不仅如此，磁场还可提高阴极与阳极间的电势，使从阴极靶源释放出的原子数目和粒子束通量密度增加，从而导致靶源沉积率增加，同时磁场还能改善靶源产生的离子束的方向。

    2、阴极表面污染对电弧燃烧稳定性的影响

    我们曾对冷阴极电弧作过这样的试验，在相同的放电条件下（如相同的工作气氛，相同的真空度，相同的引弧电压等），表面很清洁的阴极（如已经过燃烧后的阴极）引弧时比较困难，而表面有污染的阴极（如表面涂有污物的阴极）引弧却很容易。显然阴极表面有污染时容易产生表面的电子发射。一般污物本身含有多种成分，某些元素很容易发射电子，另一方面受污染的阴极表面其电子的逸出功降低也比较容易产生电子发射。多弧设备的阴极靶源（特别是新靶）其表面通常含有初始污染（如吸附氧等），由于氧可发射大量的电子，初始电弧更容易发生在有污染的地方，直到表面污染被蒸发完毕才开始正常的靶材蒸发。所以在靶源的装配过程中，应保证在清洁的状态下进行，尽量使靶表面特别是非蒸发表面（如侧面、阴极座、屏蔽件等）不受污染，防止在非蒸发面放弧，提高靶源工作的稳定性和可靠性。另外阴极表面上大量的小孔也会引起对电弧燃烧稳定性的严重干扰。

    3、靶源几何尺寸及几何形状对电弧稳定性的影响

    电弧放电弧斑不仅受磁场的限制，也受到靶源边界的限制。阴极靶面面积越大，可供弧斑移动的区域就越大，越益于电弧的稳定燃烧。在相同的工件条件下，Ø350mm的大面积靶源即使在无外加磁场的情况下也可维持电弧放电的进行，只是这时弧斑很粗糙，而Ø6mm的小靶源根本无法保持电弧放电的进行。

    在磁场设置等条件相同的情况下，靶源蒸发表面为平面时不容易维持电弧的稳定燃烧，而将靶面加工成凹面时电弧燃烧比较稳定。多弧靶源磁场的设置均为轴对称场，前面已经谈到，磁场既有轴向分量，又有径向分量，靶面附近的带电粒子（垂直靶面运动）在径向磁场的作用下产生周向运动，而周向运动的带电粒子在轴向磁场的作用下将产生一径向推力，当靶面为凹面时，由于靶面外沿凸出，阻止了带电粒子移出靶面外，同时离子轰击靶面外沿凸出部分，产生二次电子发射，有助于电弧的稳定燃烧。

    4、阴极靶面表面温度对电弧燃烧稳定性的影响

    多孤离子镀设备靶源的阴极电弧放电燃烧的稳定性依赖于阴极蒸发表面的温度，阴极表面温度的降低会带来电弧燃烧很高的稳定性。同时阴极蒸发表面温度的降低也会使金属蒸气中的大的溅射物和大的粒子数降低。观察靶阴极电弧的燃烧情况，每当电弧熄灭前，总是发现电弧弧斑极为粗糙。有时甚至出现堆团状弧斑。熄灭后观察靶面已发红，靶表面温度很高。粗糙弧斑的出现，使弧电流较集中于靶面一点，导致了弧斑下靶面斑点电流过于集中，使弧斑下的靶面温度更高而产生大量的热电子发射。靶面局部大量的热电子发射的结果，一方面中和了大量的空间电荷，使阴极表面上的电场成为减速场，甚至导致阴极表面上的电场等于零。另一方面，大量的热电子发射对阴极表面产生相当大的冷却作用。结果既没有空间电荷产生的强大电场来维持表面发射，也不具备极高的表面温度来产生热电子发射，导致电弧的熄灭。所以在多弧靶源的设计中，应注意给阴极靶以充分的冷却，最好采用直接水冷，间接水冷时，阴极座等相邻部件应选用导热性能良好的材料（如铜、铝等）。

    5、电弧电流太小及真空度高低对电弧​燃烧稳定性的影响

    多弧靶源的真空电弧放电其电弧电流是由靶面上的阴极弧斑提供的，对某一材质的阴极靶来说，阴极斑点上所能承受的电流值是一定的，阴极斑点数与电弧电流值成正比。随着电弧电流的增加，阴极斑点的数目也增加，且相互独立的运动。假定因某种原因造成某个弧斑熄灭，但其余的弧斑仍然正常燃烧并很快分裂恢复原来的电流值和弧斑数目，使电弧得以稳定燃烧。所阻电弧电流越大，电弧斑点数就越多，灭弧的可能性就越小。

    电弧放电时，真空室内的真空度越低越益于电弧放电的稳定燃烧。随着真空度的降低，真空室内气体分子密度增加，从而有更多的气体和金属蒸气被电离，容易维持电弧放电的正常燃烧。在相同的工作条件下，在靶面附近通入工作气体时电弧燃烧的稳定性比不在靶面附近通气时要好。

    在相同的工作条件下，一些气体容易被电离，一些气体不易​被电离。实验表明，电弧放电时用N气作工作气体比用Ar气时电弧的稳定性要好。N和Ar产生一次电离所需要的能量相差不大（1.215V），但二者的亚稳激发所需要的能量相差较大（9.17V），在离子气相沉积中，亚稳中性原子的存在对提高电离几率起着很重要的作用。N为双原子分子，在被电离之前大多被分解，分子的分解能和同元素的原子电离能比是很低的，在低压等离子体中电子具有很高的能量，它起着重要的媒介作用。电场能量转化为电子的动能，电子再将能量传递给分子、原子使其产生分解激发、电离。由于N2的分解、激发所需要的能量比较小，很容易被分解和激发，受激原子已获得了一部分能量，再有较少的能量就可以被电离累积电离。这样N的电离比较容易，它既可以逐次的获得能量产生累积电离，同时也可以一次获得较高能量而直接被电离。同N比，Ar气由于激发能较高，产生累积电离的几率较少，只有一次获得足略高的能量才可产生电离，这样Ar气比N气电离困难，造成N2比Ar维持电弧燃烧的稳定性好。

    四、结论

    1、外加磁场对多弧靶源的电弧放电的稳定燃烧有相当大的影响，合理的磁场设置将带来电弧燃烧好的稳定性。

    2、电弧燃烧的稳定性与阴极靶面温度有关，过高的阴极靶面温度对电孤燃烧的稳定性有不利的影响。

    3、电弧电流越大，阴极靶面面积越大，越有益于电弧的稳定燃烧。

    4、放电真空度低，阴极靶面有凹面，靶源表面清洁程度好时，电弧放电稳定性较好。

    5、电弧放电其环境气体种类对电弧的稳定性有一定的影响。