真空陰極電弧離子源磁場分析與設計

蔣 釗，唐德禮，陳慶川，周 暉，肖更竭，鄭 軍，馬占吉，楊拉毛草（.蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000；.核工業西南物理研究院，成都 6004）

0 引言

真空陰極電弧離子鍍（Vacuum Cathode Arc Ion Plating）簡稱真空電弧沉積（Vacuum Arc Deposition，VAD），國內亦稱多弧離子鍍技術，是利用真空腔室內陰極靶材與陽極間的弧光放電，使靶材蒸發并離化，形成空間等離子體，從而將鍍膜材料沉積在工件表面的過程[1-3]。在VAD設備中，用于產生電弧等離子體并實現等離子體輸運的部件統稱為真空陰極電弧離子源（簡稱弧源）。弧源的性能是決定VAD設備整體工作性能和穩定運行的關鍵[4-5]。

弧源的放電過程是基于“冷陰極場電子發射”理論，在陰極靶面附近堆積正離子電荷層，形成106～108V/m高場強，引起場致發射大量電子，電子碰撞導致陰極靶面電離擊穿，從而產生弧斑并自持放電的過程。陰極弧斑尺寸微小，但電流密度很大，產生的焦耳熱使弧斑處局部溫升，形成金屬熔池，向外發射大量的帶電粒子、中性原子甚至噴射金屬液滴[6-7]，如圖1所示。液滴的噴射會導致工件表面大顆粒污染，嚴重影響鍍膜質量[8-9]。由于電弧等離子體具有良好的導電性，可與磁場相互作用，為磁場控制弧斑的位置、形態以及運動提供了可行性。先進的大型VAD設備，常配備尺寸較大的圓形平面、矩形平面或圓柱面弧源[10]，這時必須引入受控電弧（Steered-arc）技術[11-12]。附加磁場作為VAD設備中不可或缺的組件，可以對陰極靶面的弧斑進行約束和控制，通過合理設計磁場構型，加快弧斑跳行速度，使得弧斑細碎，降低局部升溫，從而減少大液滴的發射，保證鍍膜工藝穩定和膜層細致[13-15]。

圖1 弧源大液滴發射Fig.1 macroparticle emission from cathode arc sources

圖2為一種自主開發的圓形平面弧源磁場構型示意圖。附加磁場采用永磁復合電磁結構，通過調節電磁場，可形成耦合磁場，實現陰極靶面徑向磁場和軸向磁場的強弱調控，從而控制弧斑在靶面的運動形態，使得磁場強度得到參數化的精確調節，改善靶材的刻蝕情況，提高靶材利用率以及鍍膜質量。

圖2 復合磁場構型示意圖Fig.2 sketch of compound magnetic field structure

1 磁場組件對弧斑的作用分析

針對弧源系統而言，一方面磁場組件在陰極靶面以及放電空間內產生的是非均勻的磁場，另一方面放電過程中的弧斑所發射的粒子以離子、電子、中性原子以及液滴的集合形態存在，基于這兩方面的因素，使得對在實際放電過程中磁場作用于弧斑運動的分析變得復雜。

考慮到陰極靶面上確定位置的磁場屬性是確定的，同時，基于電弧穩態放電時，陰極弧斑內的粒子數目及粒子的相互碰撞達到動態平衡的假設，可將弧斑看成是一個由離子、電子、中性原子構成的質點。根據質點的受力狀況，就可以分析推斷粒子的運動情況。

根據弧源系統的結構設計要求，磁場組件與圓形靶材同軸布置，磁場組件將產生一個軸對稱磁場，陰極靶面上的磁場可分解為徑向分量Br和軸向分量Bz；同時，帶電粒子的速度也可以分解為徑向分量vr與軸向分量vz。為簡化分析，以電子為例，對其在軸對稱磁場中的受力方向進行說明，如圖3所示。

圖3電子在磁場中的受力方向圖Fig.3 electron by the force direction in magnetic field

（1）磁場軸向分量Bz與電子徑向速度vr（弧電流）正交，產生的洛倫茲力作用使得電子產生旋轉運動，受力的表達式為：

式中：Fθ1為驅動電子產生旋轉運動的周向力，N；q為電子帶電量，C。

同理，磁場徑向分量Br與電子軸向速度vz作用而產生周向力Fθ2，周向力Fθ1與周向力Fθ2都使得電子產生周向運動速度vθ，即沿著回轉半徑的徑向旋轉，周向速度又分別與磁場徑向分量Br、磁場軸向分量Bz正交，產生了洛倫茲力作用。

（2）磁場徑向分量Br與電子周向速度vθ正交，產生的洛倫茲力作用使得電子指向靶面運動，產生穩弧的作用，受力的表達式為：

（3）磁場軸向分量Bz與電子周向速度vθ正交，產生的洛倫茲力作用使得電子在靶面徑向運動，產生徑向推動的作用，受力的表達式為：

同樣，對于正離子而言，也受到這四種不同洛倫茲力的作用，由于所帶電性相反，兩個周向力方向相反，但穩弧作用力與徑向推動作用力的方向相同。

經過分析，周向力的作用使得粒子在靶面做旋轉運動，在空間的運動路徑變大，有更多的機會碰撞、電離，在宏觀上表現出弧斑細化分離，運動速度加快；穩弧力使得電荷束縛在相對確定的位置上，穩定弧斑在靶面區域內自持放電并移動；徑向推力能夠控制弧斑在靶面沿徑向移動，使得靶面刻蝕均勻。

2 靶面磁場的仿真分析

采用永磁鐵氧體產生弧源磁場，主要是因為退磁場溫度高，磁性能穩定，可加工成磁環與靶材同軸安裝在靶底座上。電磁線圈采用1.2 mm2的漆包銅線逐層繞制共1 000匝而成。線圈電源采用雙極直流電源，線圈電流為0～5 A，磁場強弱通過線圈中電流大小來調節，復合永磁形成軸對稱磁場，可通過計算機進行軸對稱二維仿真分析。

2.1 同向磁場耦合分布

當線圈電流為2 A時，永磁場與電磁場磁極同向，磁場為耦合加強，改變了單一永磁磁場的位形和磁場強度，靶面磁場總體呈軸對稱發散分布，軸向磁場和徑向磁場都得到加強（如圖4所示），尤其是軸向磁場分量增幅更大，有利于束縛弧斑在靶面中心的運動行為，增大弧斑在靶面中心周圍的刻蝕概率。

圖4 永磁+電磁（I=2 A）磁場分布仿真結果圖Fig.4 Simulation result of permanent magnet coupling electromagnet field（I=2 A）distribution

由于離子從脫離靶面輸運到沉積區需要一定 的磁場力作用，這個磁場應盡可能的大并且均勻，才會提高膜層沉積的均勻性，并對弧斑的運動起到良好的保障。隨著軸向磁場的減弱，徑向磁場的增強（如圖5所示），弧斑以一定的線速度擴展，同時以一定的角速度旋轉。雖然弧斑還是能運動至靶面邊沿，但累積刻蝕后，相對單一永磁場作用下的靶面刻蝕均勻性較好。

圖5 仿真分析結果（I=2 A）圖Fig.5 result of Bz/Brsimulation analysis（I=2 A）

2.2 反向磁場耦合分布

當線圈電流為-2 A時，永磁場與電磁場磁極相反，磁場為耦合消弱，改變了單一永磁磁場的位形和磁場強度，在距靶面中心約30 mm的范圍內有指向靶中心的磁力線（如圖6所示），使得在靶面上形成一個磁聚焦，在磁場作用下，磁力線與靶面成銳角磁場，由銳角定則可知，當弧斑運動到距靶中心30 mm時，繼續向靶中心運動，不會跑離靶材而導致滅弧。

圖6 永磁+電磁（I=-2 A）磁場分布仿真結果圖Fig.6 Simulation result of permanent magnet coupling electromagnet field（I=-2 A）distribution

陰極靶面徑向磁場分量Br的變化規律如圖7所示。Br的絕對值表示磁感應強度的大小，而其正負性代表其磁場分量的方向。當磁場的數值為正時，表示徑向磁場方向向右；磁場數值為負時，表示該處徑向磁場方向向左；在靶中心位置，徑向磁場分量為0。從徑向磁場分量變化規律可得出，陰極靶面的徑向磁場分量Br在距靶中心約30 mm范圍內數值為負，弧斑運行方向指向靶中心，這與圖7向靶中心聚攏的磁力線分布相吻合，有效的形成了一個聚焦磁場。

圖7 Bz/Br仿真分析結果（I=-2 A）圖Fig.7 The result of Bz/Br simulation analysis（I=-2 A）

當線圈電流為-3 A時，永磁場與電磁場磁極相反，磁場為耦合消弱，由于電流增大，反向電磁場強度相應加強，導致整個靶面的軸向磁場和徑向磁場分量都為負值（如圖8和圖9所示），且相比線圈電流為-2A時磁感應強度增大，該磁場分布使得弧斑運動方向都指向靶中心，弧斑運動向靶中心匯聚，弧斑聚焦效應更強。

圖8 永磁+電磁（I=-3 A）磁場分布仿真結果圖Fig.8 Simulation result of permanent magnet coupling electromagnet field（I=-3 A）distribution

圖9 Bz/Br仿真分析結果（I=-3 A）圖Fig.9 the result of Bz/Br simulation analysis（I=-3 A）

綜上分析，可根據弧斑的運行軌跡和靶材累積刻蝕消耗情況，選擇永磁場和電磁場配合使用。在永磁場作用下，如出現弧斑運動速度減小，偶有斷弧滅弧現象，可復合電磁場，選擇線圈電源直流正向輸出，磁場耦合形成增強的軸對稱發散磁場，弧斑運動速度加快，運動范圍變大，弧斑細化分裂，電流密度降低，從而降低局部高溫加熱的影響，減小熔池面積，降低液滴的發射，增加放電穩定性，又可提高膜層的沉積速率；如靶材邊緣刻蝕效應加劇，可復合反向電磁場，選擇線圈電源直流負向輸出，調節電流輸出大小，磁場耦合形成軸對稱匯聚磁場，可約束弧斑運動，抑制跑弧，驅動弧斑指向靶面中心運動，減少靶面邊緣局部刻蝕，改善靶材的刻蝕均勻性，提高靶材利用率。

3 磁場對弧斑作用的實驗結果分析

從實驗結果可以看出，當無磁場組件時，如圖10（a）所示，弧斑表現為覆蓋面積較大并且具有高亮度的孤立斑點，斑點在靶面作無規則的隨機運動，這表明陰極弧斑在某固定位置駐留時間較長，弧斑尺寸較大，承載電流高，易形成液態熔池，使得溫度高度集中，產生爆破式的液滴噴濺。當附加磁場組件時，如圖10（b）所示，弧斑呈現出旋轉的運動趨勢，弧斑細化分裂，運動范圍變大，弧斑軌跡變成弧斑線。

圖10 弧斑運動軌跡圖像Fig.10 Images of cathode spots motion trajectory

在磁場位形和強度變化的情況下，如圖11所 示，當永磁和電磁同向耦合時，隨著靶面徑向磁場感應強度的增大，弧斑受到的周向力增強，旋轉速度加快，弧斑在做周向旋轉運動的同時伴隨徑向擴展運動；當永磁和電磁方向耦合時，弧斑向靶中心收縮，弧斑聚焦尺寸變大并消失，周而復始。由于圖像曝光時間相同，這就表明，弧斑運動速度加快，在某些點位駐留的時間縮短，電流密度降低，從而降低局部高溫加熱的影響，減小熔池面積，降低液滴的發射，可提高靶材利用率和鍍膜質量。

圖11 弧斑運動軌跡隨時間變化圖Fig.11 Images of cathode spots motion trajectory changing with time

4 結論

通過對弧源附加磁場進行理論分析和仿真計算，深入解析磁場作用對弧斑運動行為的影響規律，依據分析結果對磁場進行合理有效的設計，可以利用復合磁場改善弧斑的放電形式，控制弧斑的運動軌跡，提高弧斑的運動速率，降低放電功率在陰極斑點處的集中，從而減少大液滴的發射，顯著提高弧源在真空電弧離子鍍工業化生產中的實用性和可靠性。