電弧源薄膜制備磁過濾系統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中的偏移磁場、聚焦磁場、穩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域的大小，穩弧磁場主要影響陰極弧斑在靶材表面運動的穩定性。

關鍵詞：電弧源；磁過濾；陰極弧斑；偏移磁場；聚焦磁場；穩弧磁場

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、聚焦磁場和穩弧磁場對電弧源工作穩定性的影響。

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生等離子體，靶材粒子離開陰極表面后經過磁場區域，由于電離的靶材粒子帶有電荷，因此將產生偏轉效應，而大顆粒由于承電中性，則繼續沿著射出方向運動。如圖所示，兩者將產生分離，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生磁場，分別形成偏移磁場、聚焦磁場和穩弧磁場作用；另一部分由縱向放置的一組通電線圈產生磁過濾磁場，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域出現平移效果，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域由左向右沿徑向移動，當調至24mV左右時，放電區域主要集中在陰極靶材表面中心區域。

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域逐漸呈收縮變化，當幅值在3.2A左右時，放電區域基本收縮在靶材表面且面積較大。

2.3 穩弧磁場

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

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，主要表現為陰極靶材放電區域在位置、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），聚焦模塊和穩弧模塊的調整也將影響陰極靶材表面放電區域位置的變化，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、聚焦磁場和穩弧磁場對電弧源工作穩定性的影響。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），聚焦模塊和穩弧模塊的調整也將影響陰極靶材表面放電區域位置的變化，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.