脉冲电弧离子源真空镀膜均匀性的研究
发布时间：2024-08-15
1、前言
脉冲真空电弧离子源以其无液滴和无基底负偏压放电等优点，得到了普遍重视。镀膜均匀性是脉冲真空电弧离子源应用于生产实践中需要解决的重要难题之一。脉冲真空电弧离子源发射的等离子体分布非常不均匀，在发射角45°处，等离子体的密度相当于在0°处的1/10。为解决这一问题，许多科技工作者进行了大量的探索和研究，但效果仍不明显。米塔尼舍夫斯基在他年发表的副博士论文“脉冲阴极多弧真空放电等离子体沉积碳膜层的组织结构”中指出，以不均匀性为23%计算，脉冲真空电弧离子源的均匀范围才达到ö60mm。鉴于此，一般的解决方法是通过扫描方法、基片转动和多源发射等途径来实现的。然而在制取某些膜层时，由于特殊工艺的要求，不允许基片旋转；多源发射方法不易实现；扫描方法因设备复杂、价格昂贵也没有得以普遍使用。因而，需要寻求其他的方法来实现脉冲真空电弧离子源镀膜的均匀性。本文主要研究了脉冲真空电弧离子源电极和电极的几何尺寸对膜厚均匀性的影响，介绍了采用在基片下加一个圆筒形负电位电极，改善脉冲真空电弧离子源镀膜均匀性的方法。
2、脉冲真空电弧离子源工作原理
脉冲真空电弧离子由阴极、阳极、起弧极组成，如图1所示。阴极由蒸发材料制成，离子源可专门制作一个阳极，也可把真空室或基片夹作为阳极。脉冲真空电弧离子源的工作原理基于冷阴极真空电弧放电。离子源阴极产生的真空电弧放电使阴极材料蒸发并电离，形成等离子体。等离子体一方面在基片(工件)上形成膜层，另一方面维持电弧放电。冷阴极电弧放电的电子发射机理主要是场致电子发射，而场致发射需要在阴极表面建立很强的电场，因此仅靠离子源阴极、阳极的电位差是不够的，故需要引弧。实验中采用预电离引弧法，即采用起弧电极。首先在引弧电极与阴极之间产生小电流放电，产生预电离，然后在阴极与阳极两个主电极之间加上不很高的电压(几十伏到几百伏)，使气体击穿形成电弧。
3、实验及检测结果与分析
在实验中，首先将用超声波清洗过的基片放到真空室内，真空度达到5mPa时，用清洗离子源清洗基片，然后把基片加热到一定温度，启动脉冲真空电弧离子源工作，当达到所定脉冲数后关闭离子源，然后取出样片进行测试。
实验在各工艺参数即主回路电压、起弧回路的电压和电容、频率和真空度不变的条件下，改变脉冲真空电弧离子源电极几何尺寸，主要通过改变阴极(起弧极与阴极是配套的)和辅助阳极的几何尺寸来研究对膜厚均匀性的影响。这里用膜层透过率的相对变化来表征膜厚均匀性，其具体的计算公式为
(tx-t0)/t0×100%
其中，tx为某一位置透过率；t0为中心位置透过率。
3.1、阴极尺寸对膜厚均匀性的影响
采用两种不同直径大小的阴极进行实验，它们的直径分别为ö17.5mm和ö12.5mm，此时辅助阳极高度为30mm、内径为40mm、内孔锥度45°，所得结果如图2所示。在ö70mm范围内，它们的透过率相对变化分别为±41.7%、。膜厚均匀性没有明显变化。可见阴极的尺寸虽然改变了，但它的放电面积变化并不大。要想改善膜层均匀性，必须使阴极表面均匀放电，即弧斑在阴极表面上均匀游动。
3.2、辅助阳极对膜厚均匀性的影响
在阴极直径为ö17.5mm，辅助阳极的基本尺寸为高度30mm、内径40mm、内孔锥度45°的情况下，分别改变辅助阳极高度H、内径ö、内孔锥度α进行镀制实验。从图3可见，辅助阳极对镀膜均匀性有影响，但无论采用那种情况所镀制的膜层，它们的透过率相对变化在ö60mm范围内都已超过±10%。
因为在镀膜时起作用的是正离子，而辅助阳极处于正电位，对等离子体有排斥作用，圆锥形的辅助阳极使正离子汇聚于中心，从而使基片中央的膜层较厚。然而取掉辅助阳极后再做实验，从图3(b)可看出镀膜均匀性有所好转，但还是没有明显改善。而且在实验中发现，由于没有辅助阳极，沉积速率和放电稳定性明显下降。所以在以后的实验中选用了一个对均匀性影响较好的辅助阳极(高度30mm、内径40mm、内孔锥度45°)。
3.3、采用附加阴极实现膜厚均匀性
由上面的分析可知，要改变脉冲真空电弧离子源镀膜均匀性，就必须在等离子体到达基片前把等离子体拉开。由于起镀膜作用的是正离子，于是在基片下的等离子体周围加上一个圆筒形的负电位电极(以后简称附加阴极)进行实验，发现膜层均匀性明显改善。负电位电极放置在基片下方，电极内直径为ö120mm，高为120mm，电位为-150V。图4为采用了附加阴极后的膜层透过率曲线。从图4可以得出，在ö70mm范围内，膜层透过率相对变化为±6.8%。
正离子在阴极和基片之间的运动曲线呈纺缍型，在加入附加阴极之后，附加阴极的电场给汇聚的正离子一个沿直径向外的作用力，减小了正离子的汇聚程度，使其向四周分散运动。所以，通过调整附加阴极本身的电位、位置和尺寸来调整电场的分布情况，可以明显改善膜厚均匀性。
4、结论
不同阴极直径对膜厚均匀性影响不大，要想通过改变阴极直径大小来实现大面积的膜厚均匀性，只有实现阴极表面的均匀烧蚀；辅助阳极的形状和尺寸对脉冲真空电弧离子源镀膜均匀性有影响，但有一定限度；由于在阴极与阳极间电弧的特殊形态，采用改变基片与阴极表面的距离这种方法实现膜层大面积均匀是不可行的；采用在基片下加一个圆筒形负电位电极，可以明显改善脉冲真空电弧离子源大面积的膜厚均匀性。
作者：蔡长龙，王季梅，杭凌侠，严一心，徐均琪
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