工作氣壓對可控區(qū)域空心陰極放電的影響(ZR206601)①

楊 海，李祖君，朱雪彤，馬 佳，孫薇薇,*

(佳木斯大學a.機械工程學院，b.理學院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

采用可控區(qū)域空心陰極放電技術(shù)能夠在大型工件表面沉積類金剛石(Diamond-like Carbon，DLC)薄膜，DLC薄膜具有良好的力學性能和較高的耐磨耐腐蝕性能和優(yōu)異的生物相容性等優(yōu)點[1]，作為表面改性材料可以極大地提高材料表面的耐磨耐蝕等特性。在大型工件表面沉積DLC薄膜是預防工件失效、延長使用壽命的有效途徑。DLC薄膜的性能與制備方法密切相關(guān)，在眾多的工藝參數(shù)中，工作氣壓對薄膜微結(jié)構(gòu)的影響較大。李景利用磁場增強直流射頻復合等離子體增強化學氣相沉積的方法在圓筒狀PET內(nèi)表面制備了DLC薄膜[2]，指出工作氣壓的變化可以增大電子密度和離子密度，降低到達外部電極離子的能量。楚信譜[3]使用射頻等離子體增強化學氣相沉積(RF-PECVD)法沉積含氫DLC，得到射頻自負偏壓與工作氣壓倒數(shù)的平方根成正比，即較低的氣壓促使離子能量增加，對DLC薄膜的轟擊作用增強1。但目前為止對可控區(qū)域空心陰極制備DLC薄膜工藝中工作氣壓的影響研究未見報道。研究工作氣壓對空心陰極放電的影響對沉積DLC薄膜有指導意義。

1 實驗方法

具體實驗裝置見文獻[4]。工作氣體為Ar、C2H2和Ar/ C2H2混合氣體。脈沖電壓1400 V，脈沖頻率1000Hz，脈沖寬度20 μs，工作氣壓為2.0 Pa至5.0 Pa?；\網(wǎng)電流和工件電流分別通過傳感器采集，利用示波器輸出。等離子體光譜診斷采用的儀器為Ocean Optics公司生產(chǎn)的的Flame-S-XR1-ES微型光譜儀。光譜診斷時通過真空裝置將光纖探頭接入真空室內(nèi)，靠近空心陰極，在測量C2H2放電光譜時，為了避免光纖探頭被污染，將光纖探頭用Φ8 mm×80 mm的陶瓷管套住。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ar氣氛

圖1為不同工作氣壓條件下，籠網(wǎng)峰值電流隨脈沖電壓變化曲線。

圖1 不同氣壓籠網(wǎng)峰值電流隨脈沖電壓變化曲線

在不同的工作氣壓下，籠網(wǎng)峰值電流均隨脈沖電壓的升高而增大，氣壓越高籠網(wǎng)峰值電流增加越明顯。Ar氣壓越高，Ar密度越大，與電子發(fā)生碰撞的幾率越大，籠網(wǎng)內(nèi)存在較多數(shù)量的帶電粒子，籠網(wǎng)內(nèi)的輝光就越強。隨著脈沖電壓的增大，籠網(wǎng)峰值電流上升的速度越快。圖2為不同氣壓下的Ar放電的發(fā)射光譜。譜線的強度變化與籠網(wǎng)峰值電流的變化趨勢一致，氣壓升高提高了單個脈沖放電強度，Ar+和Ar*譜線的強度隨氣壓升高而增強，總體的空心陰極放電強度也被提升。

圖2 Ar發(fā)射光譜隨氣壓的變化

2.2 C2H2放電

圖3為C2H2放電籠網(wǎng)電流和工件電流隨工作氣壓的變化。

圖3 C2H2放電電流隨工作氣壓的變化

實驗條件為C2H2流量200 sccm，脈沖電壓1400 V，脈沖頻率1000 Hz，脈沖寬度20 μs。隨著C2H2工作氣壓的增加，籠網(wǎng)電流和工件電流都呈現(xiàn)下降趨勢，如在1.5 Pa時，籠網(wǎng)電流的峰值電流為68 A，工件電流的峰值電流為12 A，當氣壓升至5.0 Pa時，籠網(wǎng)電流下降為63 A，工件電流下降為10.5 A。這表明C2H2氣壓的增大降低了籠網(wǎng)空心陰極的放電強度。這與Ar放電時氣壓的影響結(jié)果相反。分析認為，這種籠網(wǎng)和工件電流的下降主要來源于C2H2分子強烈的電負性。C2H2氣壓增大時，籠網(wǎng)內(nèi)的中性分子和基團的增多，具有較強電負性的C2H2分子強烈吸引電子，與電子復合，消耗電子，電子數(shù)量減少，減低了籠形空心陰極的放電強度，所以籠網(wǎng)電流和工件電流都隨著工作氣壓的升高而降低。

C2H2氣體在空心陰極放電中主要發(fā)生以下反應，如公式(1)和(2)所示：

C2H2+e-(Eel≥7.5eV)→C2H+H+e-

(1)

C2nH2+C2H→C2n+2H2+H

(2)

圖4為不同工作氣壓下C2H2發(fā)射譜線。由圖可知，隨著工作氣壓的增加，譜線的強度均有所下降。

圖4 C2H2發(fā)射光譜隨氣壓的變化

2.3 混合氣體放電

圖5為C2H2(100 sccm)/ Ar(30 sccm)混合氣體的籠網(wǎng)峰值電流隨氣壓變化曲線。C2H2+ Ar+ TMS混合氣體氣氛下籠網(wǎng)峰值電流隨氣壓的升高而增大，而純C2H2放電時籠網(wǎng)峰值電流隨氣壓升高而降低。純C2H2放電時，氣壓升高，真空室內(nèi)的大量的電子與強電負性的C2H2分子結(jié)合，降低了電子的數(shù)量，削弱了空心陰極效應，才會出現(xiàn)放電的峰值電離隨氣壓升高而降低的現(xiàn)象。對于C2H2/Ar混合氣體放電隨氣壓變化，在1.5 Pa時，籠網(wǎng)峰值電流為35 A，而當氣壓升至5.5 Pa時，籠網(wǎng)峰值電流升至63 A。當氣壓較低時，籠網(wǎng)峰值電流隨氣壓升高而迅速增加，曲線斜率較大，當氣壓較高時，籠網(wǎng)峰值電流上升的趨勢變緩，曲線斜率略有減小。從粒子碰撞概率的角度來看，氣壓越高，碰撞概率越大，放電的強度越高。Ar+的轟擊工件和籠網(wǎng)會產(chǎn)生大量的二次電子。產(chǎn)生的二次電子彌補了因與C2H2結(jié)合而產(chǎn)生的電子數(shù)量減少，促進了籠形空心陰極的放電。

圖5 C2H2/ Ar/ TMS混合氣體放電時籠網(wǎng)峰值電流隨氣壓變化曲線

圖6為混合氣體放電的發(fā)射光譜。光譜強度隨著氣壓的升高而增強。與放電的結(jié)果一致。

圖6 C2H2 / Ar/ TMS混合氣體發(fā)射光譜隨氣壓變化

3 結(jié) 語

研究了不同氣氛下工作氣壓對可控區(qū)域空心陰極放電特性的影響，主要得到以下結(jié)論：(1)Ar氣氛下，工作氣壓升高促進空心陰極放電；(2)由于C2H2較強的電負性，純C2H2氣氛下，氣壓的升高削弱空心陰極放電；(3)Ar/C2H2混合氣氛下，工作氣壓升高，Ar放電產(chǎn)生大量的二次電子，彌補了C2H2消耗的電子，增強空心陰極放電。