電弧源薄膜制備磁過濾系統(tǒng)電磁場(chǎng)模塊調(diào)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(diǎn)，但是“大顆?！眴栴}嚴(yán)重影響著薄膜的質(zhì)量。文中采用YBHИΠA-1-001型硬質(zhì)鍍膜機(jī)，研究分析了磁過濾系統(tǒng)中的偏移磁場(chǎng)、聚焦磁場(chǎng)、穩(wěn)弧磁場(chǎng)及其相互作用。針對(duì)陰極靶材周圍的電磁場(chǎng)的作用，本文采取大量實(shí)驗(yàn)觀察分析，最終得到如下結(jié)論：通過偏移磁場(chǎng)幅值的調(diào)整，陰極靶材表面放電區(qū)域從靶材表面一側(cè)向另一側(cè)移動(dòng)；而聚焦磁場(chǎng)則主要影響靶材表面放電區(qū)域的大小，穩(wěn)弧磁場(chǎng)主要影響陰極弧斑在靶材表面運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：電弧源；磁過濾；陰極弧斑；偏移磁場(chǎng)；聚焦磁場(chǎng)；穩(wěn)弧磁場(chǎng)

電弧源薄膜制備技術(shù)具有高離化率、高離子能量和高沉積速率的優(yōu)點(diǎn)，在類金剛石硬質(zhì)薄膜、復(fù)合成分硬質(zhì)膜層、金屬化合物薄膜、透明導(dǎo)電膜的制備方面具有重要的意義，特別是在TiN等硬質(zhì)涂層領(lǐng)域，已經(jīng)成為最主要的制備技術(shù)[ 1-3 ]。對(duì)于嚴(yán)重影響電弧源技術(shù)制備薄膜質(zhì)量的“大顆?！眴栴}，通過磁過濾技術(shù)的引入將得到極大改善，從而使其在光學(xué)薄膜的制備領(lǐng)域得到延展[ 4-5 ]。目前對(duì)于電弧源薄膜制備技術(shù)的研究大多集中在薄膜特性和“大顆粒”的去除方面，但是關(guān)于靶材周圍電磁場(chǎng)對(duì)電弧源工作穩(wěn)定性影響的研究甚少，特別是關(guān)于陰極靶材表面放電情況隨磁場(chǎng)的變化缺少研究。因此本文在陰極電弧源薄膜制備技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究了磁過濾模塊中的偏移磁場(chǎng)、聚焦磁場(chǎng)和穩(wěn)弧磁場(chǎng)對(duì)電弧源工作穩(wěn)定性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用YBHИΠA-1-001型硬質(zhì)鍍膜機(jī)，該設(shè)備采用電弧源進(jìn)行薄膜制備，原理如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中，陰極靶材通過引弧作用電離產(chǎn)生等離子體，靶材粒子離開陰極表面后經(jīng)過磁場(chǎng)區(qū)域，由于電離的靶材粒子帶有電荷，因此將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)效應(yīng)，而大顆粒由于承電中性，則繼續(xù)沿著射出方向運(yùn)動(dòng)。如圖所示，兩者將產(chǎn)生分離，從而薄膜成膜質(zhì)量將大幅度提高。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中陰極靶材附近電磁場(chǎng)模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)主要分為兩部分，一部分由橫向放置的三組通電線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，分別形成偏移磁場(chǎng)、聚焦磁場(chǎng)和穩(wěn)弧磁場(chǎng)作用；另一部分由縱向放置的一組通電線圈產(chǎn)生磁過濾磁場(chǎng)，而陰極靶材主要受前者影響。實(shí)驗(yàn)中，由于陰極靶電流的改變將會(huì)影響磁場(chǎng)的作用，因此實(shí)驗(yàn)中將陰極靶電流固定在90A，其他基本參數(shù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 偏移磁場(chǎng)

首先對(duì)偏移磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整，而聚焦磁場(chǎng)需要適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，以便具有更好的觀測(cè)效果。實(shí)驗(yàn)觀察，隨著偏移磁場(chǎng)幅值的增加，陰極靶材表面放電區(qū)域出現(xiàn)平移效果，如圖3所示，實(shí)驗(yàn)中隨著偏移磁場(chǎng)幅值的增加，陰極靶材表面放電區(qū)域由左向右沿徑向移動(dòng)，當(dāng)調(diào)至24mV左右時(shí)，放電區(qū)域主要集中在陰極靶材表面中心區(qū)域。

2.2 聚焦磁場(chǎng)

實(shí)驗(yàn)中調(diào)整聚焦磁場(chǎng)幅值，可觀察到圖3所示現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中將偏移磁場(chǎng)設(shè)為24mV，逐漸增加聚焦磁場(chǎng)，結(jié)果陰極靶材表面放電區(qū)域逐漸呈收縮變化，當(dāng)幅值在3.2A左右時(shí)，放電區(qū)域基本收縮在靶材表面且面積較大。

2.3 穩(wěn)弧磁場(chǎng)

實(shí)驗(yàn)中，選用多種陰極靶材（鋁、銀、鈦、鉭），通過大量實(shí)驗(yàn)觀察，當(dāng)調(diào)整穩(wěn)弧磁場(chǎng)時(shí)，針對(duì)每一種陰極靶材，穩(wěn)弧磁場(chǎng)都會(huì)有一定的幅值區(qū)間，區(qū)間內(nèi)隨著幅值的增加，陰極靶材表面的放電劇烈程度和穩(wěn)定性均程遞增趨勢(shì)。

2.4 磁場(chǎng)的相互影響

通過以上實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，單一調(diào)整三組磁場(chǎng)模塊時(shí)，陰極靶材放電情況均會(huì)受到不同的影響，主要表現(xiàn)為陰極靶材放電區(qū)域在位置、面積大小、劇烈程度方面的變化；但是當(dāng)交叉調(diào)整時(shí)，相互之間又均會(huì)對(duì)其他磁場(chǎng)模塊的效果產(chǎn)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(diào)整三組模塊，三者之間的影響主要表現(xiàn)為隨著偏移磁場(chǎng)的增加，當(dāng)其高于某值后（靶材不同幅值有所變化），聚焦模塊和穩(wěn)弧模塊的調(diào)整也將影響陰極靶材表面放電區(qū)域位置的變化，即沿某一徑向移動(dòng)。

3 總結(jié)

本文在陰極電弧源薄膜制備技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究（下轉(zhuǎn)第156頁(yè)）（上接第143頁(yè)）了磁過濾模塊中的偏移磁場(chǎng)、聚焦磁場(chǎng)和穩(wěn)弧磁場(chǎng)對(duì)電弧源工作穩(wěn)定性的影響。通過大量的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和分析，單獨(dú)調(diào)整偏移磁場(chǎng)、聚焦磁場(chǎng)和穩(wěn)弧磁場(chǎng)，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(diào)整三組磁場(chǎng)時(shí)，則主要表現(xiàn)為隨著偏移磁場(chǎng)的增加，當(dāng)其高于某值后（靶材不同幅值有所變化），聚焦模塊和穩(wěn)弧模塊的調(diào)整也將影響陰極靶材表面放電區(qū)域位置的變化，即沿某一徑向移動(dòng)。因此，在采用陰極電弧源制備薄膜時(shí)，綜合本文以上結(jié)論調(diào)整電磁場(chǎng)模塊，調(diào)整效率及工作穩(wěn)定性將得到有效促進(jìn)。

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