多弧離子鍍?cè)O(shè)備中陰極電弧蒸發(fā)源（靶）的放電工作電流一般為60-120A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(diǎn)面積很小，電流密度很高。在無(wú)外加磁場(chǎng)的情況下，陰極弧斑在靶面上的運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的，其顛簸運(yùn)動(dòng)速度達(dá)每秒幾米，由于這種無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，若斑點(diǎn)移到蒸發(fā)面以外，可能導(dǎo)致滅弧、損壞裝置及污染膜層。如何使蒸發(fā)源穩(wěn)定工作，提高蒸發(fā)源的工作性能，對(duì)提高設(shè)備的整機(jī)水平，提高膜層質(zhì)量極為重要。 對(duì)多弧靶真空電弧的穩(wěn)定性問(wèn)題。許多科技工作者已進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作，發(fā)表過(guò)許多論文、提出了一些提高電弧燃燒穩(wěn)定性辦法。L.P.Sablev曾提出采用間隙屏蔽和采用一些反饋機(jī)構(gòu)來(lái)提高電弧的穩(wěn)定性；H.Wroe建議采用磁場(chǎng)限制陰極弧斑的運(yùn)動(dòng)；C.F.Morrison.Jr.則利用限弧環(huán)限制弧斑移離蒸發(fā)表面的辦法來(lái)維持電弧的正常燃燒。 通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，多弧靶電弧放電的穩(wěn)定性與許多因案有關(guān)。影響效果最顯著的是磁場(chǎng)對(duì)電弧燃燒穩(wěn)定性的影響；同時(shí)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(tài)、陰極靶面的表面溫度、電弧電流的大小、真空室內(nèi)真空度及環(huán)境氣氛種類等對(duì)多弧靶電弧燃燒的穩(wěn)定性都有不同程度的影響。 三、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析
1、磁場(chǎng)對(duì)多弧靶電弧燃燒穩(wěn)定性的影響 多弧離子鍍?cè)O(shè)備靶源的真空電弧放電是以場(chǎng)致發(fā)射為主，熱電子發(fā)射為輔。場(chǎng)致發(fā)射所需的強(qiáng)電場(chǎng)是靠靶面前的空間電荷產(chǎn)生的。這種真空電弧放電具有相當(dāng)高的離化率，一般離化率為60%-90%，在真空室內(nèi)特別是靶面附近基本上是完全的等離子體。由于磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)具有很大的影響，從而真空電弧受磁場(chǎng)的控制。 在無(wú)外加磁場(chǎng)情況下，陰極弧斑為堆團(tuán)狀，且在靶面上無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，這時(shí)電弧燃燒極不穩(wěn)定，時(shí)常滅弧，靶面刻蝕極為粗糙。 在靶面附近加一非軸對(duì)稱磁場(chǎng)且磁力線平行于靶面的情況下，弧斑亦為堆團(tuán)狀，其運(yùn)動(dòng)是沿一個(gè)方向（與磁場(chǎng)方向有關(guān)），最后停留于靶面外沿一點(diǎn)至滅弧。 當(dāng)靶面處加一相對(duì)于靶面軸對(duì)稱的磁場(chǎng)時(shí)，堆團(tuán)狀弧斑消失，弧斑在靶面上繞靶軸心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成幾條微細(xì)的弧環(huán)。這種情況下的放電穩(wěn)定性較好，在陰極靶面上，弧斑位置受磁場(chǎng)控制，靶面處電弧燃燒比較穩(wěn)定的地方也就是磁場(chǎng)最強(qiáng)的地方。 在無(wú)外加磁場(chǎng)的情況下，陰極電弧為堆團(tuán)狀。產(chǎn)生這種堆團(tuán)狀弧斑的原因有二點(diǎn)：其一是電弧本身產(chǎn)生的自磁壓縮，類似于兩根平行導(dǎo)線通過(guò)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(chǎn)生大量的熱電子發(fā)射，導(dǎo)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(fā)，甚至產(chǎn)生金屬液滴的飛濺，靶面產(chǎn)生大量的弧坑，同時(shí)影響膜層質(zhì)量。這種無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的弧斑很容易移到非蒸發(fā)面造成電弧的熄滅。 當(dāng)靶面附近加一平行靶面的磁場(chǎng)時(shí)，在磁場(chǎng)作用下帶電粒子只受到一個(gè)方向力的作用，導(dǎo)致弧斑沿一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)且迅速停留在靶邊沿一點(diǎn)，最后熄滅。 靶面附近加一軸對(duì)稱磁場(chǎng)的情況就不同了，由于這時(shí)磁場(chǎng)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(fā)出來(lái)及被電離的）一般其初速度方向與靶面垂直，在磁場(chǎng)徑向分量的作用下及粒子間的相互碰撞，使帶電粒子產(chǎn)生徑向和周向運(yùn)動(dòng)，這樣增加了帶電粒子在空間的運(yùn)動(dòng)路程，使其有更多的碰撞、電離機(jī)會(huì)，同時(shí)也改變了空間電荷在靶面前的分布，使其按磁場(chǎng)分布而分布，前兩種情況下的堆團(tuán)狀弧斑分散成均勻的環(huán)狀弧斑。另一方面，弧電流的周向分量與磁場(chǎng)的徑向分量作用形成穩(wěn)弧力，結(jié)果使堆積靶面前的空間電荷更加接近靶面，形成強(qiáng)大電場(chǎng)，維持電弧的正常燃燒。 磁場(chǎng)設(shè)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(chǎng)還可提高陰極與陽(yáng)極間的電勢(shì)，使從陰極靶源釋放出的原子數(shù)目和粒子束通量密度增加，從而導(dǎo)致靶源沉積率增加，同時(shí)磁場(chǎng)還能改善靶源產(chǎn)生的離子束的方向。 2、陰極表面污染對(duì)電弧燃燒穩(wěn)定性的影響 我們?cè)鴮?duì)冷陰極電弧作過(guò)這樣的試驗(yàn)，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(jīng)過(guò)燃燒后的陰極）引弧時(shí)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(shí)容易產(chǎn)生表面的電子發(fā)射。一般污物本身含有多種成分，某些元素很容易發(fā)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(chǎn)生電子發(fā)射。多弧設(shè)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(fā)射大量的電子，初始電弧更容易發(fā)生在有污染的地方，直到表面污染被蒸發(fā)完畢才開(kāi)始正常的靶材蒸發(fā)。所以在靶源的裝配過(guò)程中，應(yīng)保證在清潔的狀態(tài)下進(jìn)行，盡量使靶表面特別是非蒸發(fā)表面（如側(cè)面、陰極座、屏蔽件等）不受污染，防止在非蒸發(fā)面放弧，提高靶源工作的穩(wěn)定性和可靠性。另外陰極表面上大量的小孔也會(huì)引起對(duì)電弧燃燒穩(wěn)定性的嚴(yán)重干擾。 3、靶源幾何尺寸及幾何形狀對(duì)電弧穩(wěn)定性的影響 電弧放電弧斑不僅受磁場(chǎng)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(dòng)的區(qū)域就越大，越益于電弧的穩(wěn)定燃燒。在相同的工件條件下，?350mm的大面積靶源即使在無(wú)外加磁場(chǎng)的情況下也可維持電弧放電的進(jìn)行，只是這時(shí)弧斑很粗糙，而?6mm的小靶源根本無(wú)法保持電弧放電的進(jìn)行。 在磁場(chǎng)設(shè)置等條件相同的情況下，靶源蒸發(fā)表面為平面時(shí)不容易維持電弧的穩(wěn)定燃燒，而將靶面加工成凹面時(shí)電弧燃燒比較穩(wěn)定。多弧靶源磁場(chǎng)的設(shè)置均為軸對(duì)稱場(chǎng)，前面已經(jīng)談到，磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng)）在徑向磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生周向運(yùn)動(dòng)，而周向運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在軸向磁場(chǎng)的作用下將產(chǎn)生一徑向推力，當(dāng)靶面為凹面時(shí)，由于靶面外沿凸出，阻止了帶電粒子移出靶面外，同時(shí)離子轟擊靶面外沿凸出部分，產(chǎn)生二次電子發(fā)射，有助于電弧的穩(wěn)定燃燒。 4、陰極靶面表面溫度對(duì)電弧燃燒穩(wěn)定性的影響 多孤離子鍍?cè)O(shè)備靶源的陰極電弧放電燃燒的穩(wěn)定性依賴于陰極蒸發(fā)表面的溫度，陰極表面溫度的降低會(huì)帶來(lái)電弧燃燒很高的穩(wěn)定性。同時(shí)陰極蒸發(fā)表面溫度的降低也會(huì)使金屬蒸氣中的大的濺射物和大的粒子數(shù)降低。觀察靶陰極電弧的燃燒情況，每當(dāng)電弧熄滅前，總是發(fā)現(xiàn)電弧弧斑極為粗糙。有時(shí)甚至出現(xiàn)堆團(tuán)狀弧斑。熄滅后觀察靶面已發(fā)紅，靶表面溫度很高。粗糙弧斑的出現(xiàn)，使弧電流較集中于靶面一點(diǎn)，導(dǎo)致了弧斑下靶面斑點(diǎn)電流過(guò)于集中，使弧斑下的靶面溫度更高而產(chǎn)生大量的熱電子發(fā)射。靶面局部大量的熱電子發(fā)射的結(jié)果，一方面中和了大量的空間電荷，使陰極表面上的電場(chǎng)成為減速場(chǎng)，甚至導(dǎo)致陰極表面上的電場(chǎng)等于零。另一方面，大量的熱電子發(fā)射對(duì)陰極表面產(chǎn)生相當(dāng)大的冷卻作用。結(jié)果既沒(méi)有空間電荷產(chǎn)生的強(qiáng)大電場(chǎng)來(lái)維持表面發(fā)射，也不具備極高的表面溫度來(lái)產(chǎn)生熱電子發(fā)射，導(dǎo)致電弧的熄滅。所以在多弧靶源的設(shè)計(jì)中，應(yīng)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(shí)，陰極座等相鄰部件應(yīng)選用導(dǎo)熱性能良好的材料（如銅、鋁等）。 5、電弧電流太小及真空度高低對(duì)電弧燃燒穩(wěn)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(duì)某一材質(zhì)的陰極靶來(lái)說(shuō)，陰極斑點(diǎn)上所能承受的電流值是一定的，陰極斑點(diǎn)數(shù)與電弧電流值成正比。隨著電弧電流的增加，陰極斑點(diǎn)的數(shù)目也增加，且相互獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)。假定因某種原因造成某個(gè)弧斑熄滅，但其余的弧斑仍然正常燃燒并很快分裂恢復(fù)原來(lái)的電流值和弧斑數(shù)目，使電弧得以穩(wěn)定燃燒。所阻電弧電流越大，電弧斑點(diǎn)數(shù)就越多，滅弧的可能性就越小。 電弧放電時(shí)，真空室內(nèi)的真空度越低越益于電弧放電的穩(wěn)定燃燒。隨著真空度的降低，真空室內(nèi)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(shí)電弧燃燒的穩(wěn)定性比不在靶面附近通氣時(shí)要好。 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(shí)驗(yàn)表明，電弧放電時(shí)用N氣作工作氣體比用Ar氣時(shí)電弧的穩(wěn)定性要好。N和Ar產(chǎn)生一次電離所需要的能量相差不大（1.215V），但二者的亞穩(wěn)激發(fā)所需要的能量相差較大（9.17V），在離子氣相沉積中，亞穩(wěn)中性原子的存在對(duì)提高電離幾率起著很重要的作用。N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(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，電子再將能量傳遞給分子、原子使其產(chǎn)生分解激發(fā)、電離。由于N2的分解、激發(fā)所需要的能量比較小，很容易被分解和激發(fā)，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N的電離比較容易，它既可以逐次的獲得能量產(chǎn)生累積電離，同時(shí)也可以一次獲得較高能量而直接被電離。同N比，Ar氣由于激發(fā)能較高，產(chǎn)生累積電離的幾率較少，只有一次獲得足略高的能量才可產(chǎn)生電離，這樣Ar氣比N氣電離困難，造成N2比Ar維持電弧燃燒的穩(wěn)定性好。 1、外加磁場(chǎng)對(duì)多弧靶源的電弧放電的穩(wěn)定燃燒有相當(dāng)大的影響，合理的磁場(chǎng)設(shè)置將帶來(lái)電弧燃燒好的穩(wěn)定性。 2、電弧燃燒的穩(wěn)定性與陰極靶面溫度有關(guān)，過(guò)高的陰極靶面溫度對(duì)電弧燃燒的穩(wěn)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(wěn)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(shí)，電弧放電穩(wěn)定性較好。 5、電弧放電其環(huán)境氣體種類對(duì)電弧的穩(wěn)定性有一定的影響。
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