輔助陽極在電弧離子鍍和磁控濺射技術(shù)中的應(yīng)用和研究進(jìn)展

趙棟才，邱家穩(wěn)，肖更竭，張子揚

輔助陽極在電弧離子鍍和磁控濺射技術(shù)中的應(yīng)用和研究進(jìn)展

趙棟才1，邱家穩(wěn)2，肖更竭3，張子揚1

（1.安徽工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)金屬材料綠色制備與表面技術(shù)教育部重點實驗室，安徽 馬鞍山 243002；2.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094；3.蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

按照位置分類，概述了3類輔助陽極。第1類布置在陰極附近，能起到吸引電子，增大離化率，并降低沉積溫度的效果，同時若有帶負(fù)電的離子，也會被吸引至陽極；第2類布置在基片的背面，在吸引電子達(dá)到陽極的過程中，會增大基片附近工藝氣體和沉積物的離化率，正離子在負(fù)偏壓的引導(dǎo)下會和基底發(fā)生碰撞，達(dá)到基底活化或者提高膜層質(zhì)量的目的；第3類為特殊工件類，如管內(nèi)壁鍍膜時通過輔助陽極的布置，提高管腔內(nèi)等離子體的均勻性，從而增加膜層厚度和質(zhì)量的一致性。輔助陽極的增加只需在真空室特定位置布置特定形狀的陽極即可，即使需要額外引線，只需一個接線法蘭口就能完成，非常方便。輔助陽極加載的正電壓一般在0至幾百伏之間，如果是0，則直接和真空腔室連接即可，必要時串聯(lián)電阻。輔助陽極技術(shù)具有改變離子能量和方向的特點，能起到對大顆粒的抑制作用，能改變到達(dá)膜層表面離子的能量，對膜層質(zhì)量的提高具有重要意義，值得推廣。

輔助陽極；電弧離子鍍；磁控濺射；離化率；大顆粒過濾

關(guān)于電弧離子鍍技術(shù)和濺射技術(shù)的報道最早見于19世紀(jì)，但它們的大規(guī)模應(yīng)用均是從20世紀(jì)70年代才開始的，這種遲滯現(xiàn)象的一個重要原因是技術(shù)本身的發(fā)展沒有達(dá)到應(yīng)用的條件。對電弧離子鍍技術(shù)而言，在20世紀(jì)80年代實現(xiàn)了在硬質(zhì)薄膜、裝飾薄膜方面的產(chǎn)業(yè)化而備受重視；對濺射技術(shù)而言，是20世紀(jì)40—70年代發(fā)明了磁控的方法，使沉積速率大幅度提高而得到重視的。

在電弧離子鍍和濺射沉積裝備中，加載特定的電場，為氣體的電離提供條件，同時加載和電場方向不平行的磁場，使電子沿著磁場方向做螺旋運動，進(jìn)一步增加氣體電離幾率，并在一定程度上控制等離子的運行區(qū)域，從而實現(xiàn)了沉積技術(shù)從實驗室至應(yīng)用的跨越。如在電弧沉積技術(shù)領(lǐng)域，能壓縮陰極表面等離子體鞘層，形成更大的電場梯度，保持放電的穩(wěn)定性，并形成對靶面的均勻燒蝕；在濺射領(lǐng)域，提高了工藝氣體的離化率，使濺射技術(shù)的工作氣壓維持在0.1 Pa量級，使沉積速率提高至有應(yīng)用價值。

自電弧離子鍍技術(shù)和磁控濺射技術(shù)被應(yīng)用以來，研究者就開始專注于針對不同應(yīng)用工況、不同零部件的技術(shù)開發(fā)。在技術(shù)研發(fā)中，除了對提供電弧放電和磁控輝光的電源參數(shù)進(jìn)行調(diào)整外，還能調(diào)整的參數(shù)包括陰極源的特性參數(shù)、工藝氣體特性參數(shù)。在這些參數(shù)改變中，仍然不能滿足部分應(yīng)用需求，如膜層結(jié)合力、特殊形狀零部件表面膜層的沉積等。這時，就發(fā)展出了再增加外接電源和外部布置磁場的方式，完成對等離子體的影響，達(dá)成對等離子體行為的控制。這些輔助手段的增加，是原有輔助手段的擴(kuò)展，是緊隨電弧離子鍍技術(shù)和磁控濺射技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，即從20世紀(jì)70年代以來，就被廣泛研究。在增加外接電源的方法中，有兩大類，一類是增加負(fù)偏壓，一類是增加輔助陽極（常常在不增加電源的情況下，通過對原有陽極的改造，就能達(dá)成輔助陽極的目的）。在電場中增加磁場，會增大離化率，輝光的強(qiáng)弱和分布會發(fā)生變化，但就電流回路本身而言，仍然是按照電壓的驅(qū)動形成回路，即等離子體充塞在陰陽極之間。增加輔助陽極，等于是對原有電場的布局進(jìn)行了改變，對等離子體的分布有引導(dǎo)作用，造成等離子體分布區(qū)域較大范圍的改變，這種改變能使等離子體達(dá)到原來不能達(dá)到的區(qū)域，完成對鍍膜過程的影響。因此，輔助陽極技術(shù)有2個關(guān)鍵點：輔助陽極上加載的電壓，經(jīng)過輔助陽極的電流值；輔助陽極的位置及機(jī)械外形。正是基于這個原因，陽極技術(shù)在防腐蝕、污水凈化、陽極氧化、加工等技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛[1-8]，在離子束的產(chǎn)生和控制中也一直被持續(xù)關(guān)注[9-12]。輔助陽極在電弧離子鍍和磁控濺射技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用，但專門的評述文章很少，本文就此做總結(jié)和評述。

1 電弧離子鍍膜技術(shù)中的輔助陽極

電弧離子鍍技術(shù)以高離化率為其主要特點，同時伴隨大的熔滴和較高束流的離子轟擊。這些現(xiàn)象對膜層沉積而言，根據(jù)膜層特點有的需要加強(qiáng)，有的需要抑制。輔助陽極是一種有效的控制方法，能達(dá)到抑制大顆粒、增加轟擊效果和特定形狀樣品表面鍍膜的目的。

1.1 大顆粒過濾

電弧離子鍍膜技術(shù)中，弧光放電會形成在陰極表面作快速圓周運動的弧斑，弧斑的電流密度高達(dá)1012A/m2量級，能量密度達(dá)1013W/m2量級。高能量密度直接導(dǎo)致了弧斑處靶材物質(zhì)從固相向等離子體的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變過程伴隨著較大的熔滴，熔滴對成膜而言，常常是有害的[13]。

將輔助陽極布置在陰極產(chǎn)生的等離子體必經(jīng)之路上，則會形成電勢差，吸引電子向陽極運動。同時，懸浮在等離子體中的大顆粒，因為電子的碰撞作用會帶負(fù)電，也會被輔助陽極吸引，到達(dá)陽極，起到大顆粒過濾的作用[14]。裝置示意圖見圖1。同時對大顆粒的過濾結(jié)果做了統(tǒng)計，見表1。

圖1 物理過濾和輔助陽極過濾裝置[14]

表1 物理遮擋過濾、輔助陽極與物理遮擋過濾效果對比[14]

Tab.1 Relationship between the number of particles on the substrate[14]

上述過濾裝置安裝在磁過濾彎管接近真空腔室的位置，而不是彎管接近電弧陰極的位置。也有輔助陽極安裝在陰極靶附近的案例，且是以更成熟的專利[15-16]形式進(jìn)行表達(dá)，還包含了其他關(guān)于陰極弧的控制技術(shù)。如圖2所示，在磁過濾裝置中配置了能加載正向電壓的陽極筒和磁過濾彎管。雖然在專利中并未明確地表述加載正電壓對顆粒物影響的結(jié)論，但加載正電壓的表述非常明確。陽極筒是通過安裝在陽極筒上的供氣管路（和陽極筒絕緣）加載正電，磁過濾管路上正電位是直接加載。籠式結(jié)構(gòu)輔助陽極如圖3所示，輔助陽極呈空心圓柱狀，和電弧陰極同軸安裝。輔助陽極串聯(lián)電阻后和真空室連接或者由專門的電源供電，提供正電位。該裝置形成的勻強(qiáng)電場能夠吸引等離子體中的電子和帶負(fù)電的大顆粒液滴，起到大顆粒過濾作用，減少運動到基底表面大顆粒的數(shù)量，同時輔助陽極能提高陰極靶蒸發(fā)物的離化率。專利[15]中有關(guān)于電弧陰極磁場的詳細(xì)數(shù)據(jù)，Aksenov等[12]研究了螺線管中等離子的傳輸情況，結(jié)果表明，當(dāng)離子在輔助陽極的管道中傳輸時，增大磁場是有利于傳輸效率的，但磁場繼續(xù)增大，電弧會變得不穩(wěn)定。關(guān)于磁過濾裝置的效率問題，在文獻(xiàn)[17]中有深度的說明。

相對上述輔助陽極的布局，將輔助陽極的結(jié)構(gòu)可以設(shè)計得更簡單一點。如將輔助陽極固定在電弧陰極法蘭盤上，且輔助陽極略高于陰極靶，并將輔助陽極和真空室短接[18]。另一種輔助陽極的布置是和陰極靶平齊的[19]，如圖4所示。輔助陽極是和真空室短接的，但中間接了一個可變電阻，該輔助陽極能起到大顆粒過濾的作用。

圖2 一種磁過濾弧裝置結(jié)構(gòu)[15]

圖3 籠式結(jié)構(gòu)輔助陽極[16]

Fig.3 Schematic diagram of Cage structure auxiliary anode[16]

圖4 輔助陽極和陰極靶等高結(jié)構(gòu)布局[19]

輔助陽極的布置形式很多，如把輔助陽極布置在電弧陰極靶的前方[20]，如圖5所示。電弧陰極和水冷陽極之間放電，形成弧流，輔助陽極提供離化電場，離化陽極起離化和過濾大顆粒的作用。相對簡單的布局是將輔助陽極的面積做大一點[21]，如圖6所示。也有的將真空腔室縮小，做成管狀，變成輔助陽極[12]，但這時常常需要磁場配合。

輔助陽極有過濾大顆粒、提高薄膜致密度的功能，但通常是和其他技術(shù)互相配合使用的。比如在碳膜的沉積中，即使加了磁過濾彎管，但因為中性顆粒在過濾管內(nèi)部的反彈，不能保證所有大顆粒被過濾，會有個別的沉積在基底上，導(dǎo)致膜層中出現(xiàn)一個低sp3鍵含量的小區(qū)域，該區(qū)域就形成了一個薄弱點，對精密應(yīng)用環(huán)境非常不利?；谠撛颍谶^濾系統(tǒng)之前增加輔助陽極是一個不錯的選擇[14]，其綜合過濾效果非常明顯。僅僅在使用輔助陽極的情況下，制備最常見的Ti的氮化物和氧化物，就能觀察到明顯的過濾效果，如圖7所示。圖7a、b是在圖6技術(shù)方案下完成鍍膜的，圖7c是未做任何過濾處理的TiN表面形貌。雖然圖片放大倍數(shù)不一致，但能明顯地觀察到輔助陽極對大顆粒的過濾作用。首先，輔助陽極的過濾性能本身，是和工藝過程相關(guān)的量，即與經(jīng)過輔助陽極的電流、電弧蒸發(fā)材質(zhì)和放電氣壓等密切相關(guān)；其次，與電弧陰極本身的磁場結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，如果陰極本身弧斑移動速度較快，熔池噴發(fā)的大顆粒較少，過濾后的效果自然也會好一些。因此，從輔助陽極這種技術(shù)手段而言，具有大顆粒過濾能力是非常明確的。輔助陽極具有對大顆粒的過濾作用，同時就意味著對膜層沉積速率的抑制，該抑制作用遠(yuǎn)沒有過濾彎管類過濾系統(tǒng)嚴(yán)重。輔助陽極的過濾是依靠吸引懸浮在等離子體中的帶負(fù)電大顆粒完成的，大顆粒帶負(fù)電是依靠較大的體積捕獲電子而帶負(fù)電的，所以對帶正電的離子和中性粒子構(gòu)不成影響，它們還是會按照原有的路線通行，并沉積在基底表面。在一般對膜厚的檢測中是不會選擇大顆粒的區(qū)域進(jìn)行測試，所以就膜厚的沉積效率而言，不受太大的影響。如果膜層沉積得非常厚，則大顆粒所占的體積會被計算在膜層厚度中，影響會凸顯。雖然對沉積效率的影響不是太大，但其缺陷是對大顆粒的過濾作用也是有限的，所以對那些不是特別嚴(yán)苛的使用環(huán)境，是一個非常不錯的技術(shù)，在嚴(yán)苛的應(yīng)用要求中，需要和其他技術(shù)配合使用。

圖5 輔助陽極布置在陰極和基底之間結(jié)構(gòu)[20]

圖6 輔助陽極的應(yīng)用[21]

圖7 SEM表面形貌

當(dāng)輔助陽極和陰極靶之間的距離很近時，容易引起和輔助陽極之間的集中放電現(xiàn)象，這種現(xiàn)象有時候是不受歡迎的。在放電過程中，電路會尋求電阻最小路徑完成回路，當(dāng)陽極持續(xù)接受電子轟擊時，會引起電子熱發(fā)射，會對預(yù)定等離子體狀態(tài)造成干擾。因此在輔助陽極的配置中，需要綜合考慮各種因素，設(shè)計合適的電流回路和磁場布局。以電場完成過濾的設(shè)計還包括百葉窗式的過濾裝置[13]和過濾板的靜電過濾裝置，過濾板裝置如圖8所示[22]。該裝置是激光引弧脈沖電弧沉積裝置，為了維持過濾板之間的電場梯度，可能需要很大的電流。

圖8 靜電過濾裝置結(jié)構(gòu)[22]

1.2 增大等離子體范圍，增加轟擊效果

如果通過輔助陽極的布置，將待鍍樣品浸沒在等離子體中，就會增加等離子體對樣品表面的作用。目前，在硬質(zhì)涂層的制備裝備中，常常是將陰極布置在真空室側(cè)壁，工件架布置在真空室中心。在鍍膜過程中，從陰極出發(fā)的待鍍物向工件架運動，工件架做公自轉(zhuǎn)，完成膜層沉積，這時就可以把輔助陽極布置在工件的中心[23]，如圖9所示。該輔助陽極的布置能對等離子體束流起到吸引作用，束流中的電子運動有利于氣體分子和金屬原子的電離，可提高工件周圍等離子體密度和等離子體的均勻性。

圖9 輔助陽極布置在中心位置的電弧離子鍍膜機(jī)[23]

利用相同的原理，能將電弧當(dāng)作離子源使用。下面以安徽工業(yè)大學(xué)表界面中心的電弧離子鍍膜機(jī)為例進(jìn)行說明，其原理如圖10所示。工件臺上的樣品需要離子束處理時，開啟柱狀電弧，因柱狀電弧和工件臺之間放置了隔板，所以電弧源蒸發(fā)物無法到達(dá)工件，但從柱狀弧出發(fā)的等離子體束流受輔助陽極的牽引，會途徑真空室到達(dá)輔助陽極。等離子體束流途徑真空室時，會使氣體電離，形成放電區(qū)域，在偏壓作用下，帶電離子會完成對工件的表面處理。

1.3 電弧內(nèi)腔鍍膜

管道在工業(yè)上有大規(guī)模的應(yīng)用，并且在氣體、液體固液混合和固體顆粒等的傳輸中必不可少，這時就對內(nèi)部的耐磨、耐蝕提出了要求，也因此備受重視，并發(fā)展了較多的內(nèi)腔膜層沉積方法[24-27]，其中以電鍍和CVD技術(shù)居多。在PVD方法中，也能通過適當(dāng)?shù)姆椒ǜ纳苾?nèi)腔鍍膜的均勻性，其中一個重要的方法是增加輔助陽極。

正因為輔助陽極具有引導(dǎo)等離子分布的特性，所以有一種設(shè)計是將輔助陽極布置在通孔之中[28]，希望提高鍍膜的深徑比，如圖11所示。在該裝置中，通過絕緣層將轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)軸和輔助陽極固定，輔助陽極的另一端和真空室壁相連（在腔室的相應(yīng)位置為輔助陽極設(shè)置了導(dǎo)軌，便于輔助陽極做圓周運動）。當(dāng)轉(zhuǎn)架軸轉(zhuǎn)動時會帶動絕緣層轉(zhuǎn)動，絕緣層帶動輔助陽極轉(zhuǎn)動。在鍍膜時，管狀樣品套裝在輔助陽極上，并和轉(zhuǎn)架軸保持連通。輔助陽極和工件轉(zhuǎn)架絕緣，但通過與真空室的軌道連接，把陽極延伸至管內(nèi)壁。在該裝置中，因為管狀工件套在輔助陽極上，所以在管狀工件內(nèi)存在和陰極放電相配套的陽極，有利于導(dǎo)引電子的走向，但是當(dāng)電子移動至管狀工件較深的位置時，必然會被輔助陽極捕獲，所以在較長的管狀工件內(nèi)部，沉積的膜層會非常薄，甚至無法完成沉積。該裝置能提高鍍膜的深徑比，能否完成管狀工件內(nèi)部的通鍍，還取決于工件的長度和直徑大小。

圖10 電弧清洗離子源

圖11 大深徑比鍍膜輔助陽極[28]

2 磁控濺射技術(shù)中的輔助陽極

磁控濺射技術(shù)和電弧離子鍍膜技術(shù)一樣，均是利用了放電現(xiàn)象，只是處在輝光放電區(qū)域，而非弧光放電區(qū)域。只要發(fā)生了放電現(xiàn)象，則通過陰陽極的布置，就能對放電現(xiàn)象造成影響，且在磁控濺射技術(shù)中，因為離化率本身很低，通過電場的方式施加影響，會有非常顯著的效果。

2.1 擴(kuò)大放電區(qū)域，增大等離子體輝光范圍

在非平衡磁控濺射技術(shù)中加入輔助陽極[29]能有效提高離化率，如圖12所示。輔助陽極為電流提供了回路，在勵磁場作用下，電子不能直接從陰極流向輔助陽極，需要按照磁感線方向做螺旋線運動接近陽極，使電子運動的路徑更長，有利于提高離化率。因此，反應(yīng)氣體在陽極附近就會被離化，參與膜層沉積，能在較低的反應(yīng)氣體比例下獲得預(yù)期的化學(xué)計量比薄膜，減輕靶中毒現(xiàn)象，提高膜層沉積速率。如在反應(yīng)濺射沉積氮化物、碳化物、氧化物膜層時，反應(yīng)氣體比例能降低30%～50%，沉積速率提高1倍。

圖12 非平衡磁控濺射中配備勵磁結(jié)構(gòu)的輔助陽極[29]

2.2 降低鍍膜區(qū)溫度

磁控濺射最大的一個特點是能實現(xiàn)低溫沉積，但對某些特定的膜系，溫度還是有一點偏高。這時通過在陰極附近布置輔助陽極，就能有效地吸引電子，在提高離化率的同時，降低電子到達(dá)工件的幾率，有效降低工件表面溫度。

陳朝鐘等[30]報道了一種非常詳細(xì)的輔助陽極結(jié)構(gòu)，如圖13所示。反應(yīng)氣體通過氣體管路進(jìn)入磁鐵之間的狹縫，離化后經(jīng)遮板狹縫飛出，有利于反應(yīng)濺射沉積。輔助陽極能利用閉環(huán)磁力作用導(dǎo)引電子移動路徑，避免工件受到轟擊，通過電源中和捕獲的電子，并將廢熱帶出裝備。典型的應(yīng)用場景是將該輔助陽極布置在和磁控源相比略微靠后的位置，即磁控源和待鍍樣品之間的距離比輔助陽極和待鍍樣品之間的距離小一點。類似的輔助陽極配置還用在低溫卷繞大功率鍍膜的情況下[31]，這時輔助陽極可以吸收等離子體轟擊靶材時所發(fā)射出來的二次電子，避免二次電子轟擊到基材上導(dǎo)致基材的升溫，有效降低鍍膜系統(tǒng)對基材的熱效應(yīng)。在基材耐溫性不變的工藝條件下，可提高濺射功率密度，實現(xiàn)更高的鍍膜效率。

上述輔助陽極和磁控陰極的布置與張斌等[29]的布置很像，但發(fā)揮的作用差別很大，其中顯著的原因是磁場的布置方式不同，磁控陰極和輔助陽極之間的相對位置不同。上述輔助陽極本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如果主要的功能在于吸附電子，則可以簡單一些。如僅在磁控陰極的前方設(shè)置呈棒狀的輔助陽極[32]，就能起到很好地吸附電子的作用，保證玻璃基片上不會積累電子，避免發(fā)生放電現(xiàn)象，同時不影響成膜質(zhì)量。如圖14所示的輔助陽極和側(cè)板，輔助陽極阻隔了電子通向基片的通道，解決了電子積累問題。

圖13 輔助陽極結(jié)構(gòu)[30]

圖14 棒狀結(jié)構(gòu)吸附電子輔助陽極[32]

圖14中，與側(cè)板連接的輔助陽極較為密集，以免有電子繞過輔助陽極運動至玻璃基片，造成電子積累。同時，處于靶材正下方的輔助陽極尺寸須小于靶材在輔助陽極延伸方向尺寸的20%，若輔助陽極過長，則會阻擋靶材正常濺射，影響膜層質(zhì)量。如果將輔助陽極布置得更為密集，并互相連接起來，形成網(wǎng)狀，則能清晰地觀察到輔助陽極對等離子體的作用。Sagás等[33]的研究表明，當(dāng)在靶的前面布置柵網(wǎng)，并使柵網(wǎng)接地，就形成了平行電極之間的放電，等離子體形狀會發(fā)生顯著改變，即形成靶和柵網(wǎng)之間放電的現(xiàn)象（如圖15所示）。柵網(wǎng)接地后，放電現(xiàn)象更為穩(wěn)定，能在更低的氣壓和放電電壓下形成等離子體（如圖16所示）。在該研究中，最有特點的結(jié)論是朗繆爾探針的測試結(jié)果，該結(jié)果表明，當(dāng)柵網(wǎng)接地后，電子滿足雙麥克斯韋分布，其中一個是受輔助陽極的吸引產(chǎn)生位移形成的。

磁控濺射裝置配備輔助陽極的研究，自20世紀(jì)80年代就有報道[34]。如在直流反應(yīng)濺射制備ZnO時，將環(huán)裝輔助陽極布置在Zn靶和基底之間，輔助陽極會使電場重新分布，并吸附電子，抑制基片上發(fā)生弧光放電。在對較為特殊的基體，如電線的膜層制備過程中，因為電線的直徑和熱容小，電子轟擊會導(dǎo)致溫升，為了降低溫度，增加輔助陽極是非常有意義的[35]。其裝置如圖17所示，電線通過圓柱形磁控管，靶材是一個安裝在水冷芯上的圓柱形Ti靶，在膜層沉積過程中，輔助陽極吸附部分電子，能有效地控制不銹鋼電線的溫升[36]。

圖15 磁控濺射布局[33]

圖16 放電V-A特性曲線（放電條件：壓力為0.67 Pa，Ar流量為5.4 mL/min，N2流量5.5 mL/min）[33]

據(jù)張以忱等[37-38]的研究表明，當(dāng)輔助陽極位于濺射靶和基片之間時，能顯著提高等離子體的離化率，并指出在輔助陽極改變空間內(nèi)電場分布時，應(yīng)盡量避免在磁場強(qiáng)度較小的位置出現(xiàn)電場的陡增，應(yīng)盡量使電場和磁場的正交分量同步變化耦合，才能夠最大程度上束縛等離子體。顯然，這是電子在電磁場中運動時增加運動軌跡最有效的辦法。

圖17 電線表面磁控濺射技術(shù)膜層制備方案剖面圖[35]

2.3 增加電子轟擊

TiN膜制備中，將輔助陽極布置于樣品的后面[39-40]，能提高樣品周圍的等離子體密度，有利于硬質(zhì)膜層的沉積。但在該研究中，輔助陽極的布置不能從圖中作出清晰的判斷，且不適合量產(chǎn)。在適合工業(yè)化批產(chǎn)的磁控濺射裝備中，將輔助陽極布置在真空室的中間[41]，則能有效地吸引電子，在電子的運動過程中，提高腔室內(nèi)氣體的離化率，提高等離子體密度，提高膜層的結(jié)合力。該裝置如圖18所示，真空腔室接電源負(fù)極，輔助陽極接電源正極。

李春偉等[42-43]在高功率磁控濺射情況下做了輔助陽極的研究，其裝置如圖19所示。為了增加離化率，采用了輔助陽極和外置線圈2種方案，且這2種方案同時工作[(E-MF)-HIPIMS]，并以沉積釩為例進(jìn)行了說明。當(dāng)輔助陽極的電壓為0 V時，峰值電流為33.2 mA/cm2；當(dāng)輔助陽極的電壓增加至70 V時，峰值電流為128.5 mA/cm2，如圖20所示。同時通過對V+的檢測發(fā)現(xiàn)，隨著輔助陽極電壓的增加，V+的密度也會隨之增加。關(guān)于該裝置的等離子體特性，也做了研究，見文獻(xiàn)[44-45]。

圖18 增加電子轟擊、提高離化率的輔助陽極布置方法[41]

圖19 電磁場協(xié)同增強(qiáng)高功率脈沖磁控濺射沉積裝置[43]

圖20 輔助陽極電壓和基底峰值電流之間的關(guān)系[43]

非高功率磁控濺射裝備中，類似上述的輔助陽極布置方法也有報道[46]，但因為高功率磁控濺射離化率本身就高一些，所以輔助陽極的效果會更加顯著。

2.4 內(nèi)腔鍍膜

輔助陽極具有引導(dǎo)等離子體重新布局的特性，利用該特性，就能完成一些特殊形狀、特殊材質(zhì)表面膜層的均勻沉積。如利用圓柱靶，并將靶伸到絕緣管內(nèi)部鍍制導(dǎo)電薄膜時，因為薄膜的沉積，會在管壁內(nèi)部形成陽極[47]，有利于電場的均勻分布。如果沉積絕緣層，則均勻的電場難以形成[48]，如圖21a所示。在絕緣管的兩端電場強(qiáng)度大，中間弱，所以兩端等離子體密度高，中間等離子體密度低，膜層的均勻性和導(dǎo)電膜相比就差得多，所以不導(dǎo)電膜層的厚度均勻性如圖21c中虛線所示。因為兩端的電場強(qiáng)度大，有很強(qiáng)的反濺射現(xiàn)象，所以不同的工藝參數(shù)情況下，膜厚分布均不相同。

圖21 絕緣管內(nèi)磁控濺射鍍制絕緣膜時電場分布、電荷累計分布及厚度分布[48]

為了對這種情況作出改進(jìn)，可以在絕緣管的端頭布置輔助陽極，并將輔助陽極的一部分伸進(jìn)絕緣管內(nèi)部[47]，從而改善膜層的均勻性。Gasab等[49]以沉積TiO2或TiN為例，對輔助陽極的效果進(jìn)行評價，但相對較好的方法是在絕緣管外套一個管狀同軸輔助陽極，則電場強(qiáng)度會變得均勻得多，見圖22a，薄膜厚度的分布也會變的均勻的多，如圖22c所示。此時，絕緣層上的電荷積累必須及時消除，否則會影響膜層沉積速率和膜層質(zhì)量。

圖22 增加輔助陽極時絕緣管內(nèi)磁控濺射鍍制絕緣膜時電場分布、電荷累計分布及厚度分布[48]

3 結(jié)語

在電弧離子和磁控濺射鍍膜技術(shù)中，均是將靶材當(dāng)作負(fù)極，然后在負(fù)極和正極（正極一般接地，且和真空室相接）之間形成電壓差，在通入合適的工藝氣體情況下，或者用某種方法形成放電現(xiàn)象，然后完成鍍膜的過程。因為放電現(xiàn)象的不同，有電弧離子鍍膜技術(shù)和濺射鍍膜技術(shù)的區(qū)別，但均因為存在放電并形成了等離子體，所以利用磁場和電場就能完成對等離子體的干預(yù)，使其按照期望的方式進(jìn)行分布、離化。輔助陽極的干預(yù)方法是在原有的正負(fù)極基礎(chǔ)上，通過對正極形狀的特定改變，或者疊加新的正極（與正極對應(yīng)的負(fù)極一般接地）的方式，完成對等離子體流向的控制。如果在等離子體經(jīng)過的路徑中，增加特定的磁場，則能起到延長電子傳輸路徑，增加離化率的效果。

輔助陽極的布置方式有3類：布置在陰極附近，能起到吸引電子，增大離化率，并降低沉積溫度的效果，同時，若有帶負(fù)電的離子，也會被吸引至陽極；布置在基片的背面，在增大離化率的同時，引導(dǎo)離子轟擊基片，提高膜層質(zhì)量；特殊工件類，如管內(nèi)壁鍍膜時通過輔助陽極的布置，提高管腔內(nèi)等離子體的均勻性，從而增加膜層厚度和質(zhì)量的一致性。

輔助陽極技術(shù)對膜層制備的影響非常顯著，且其布置方法相對簡單，有很大的發(fā)展前景，值得研究者重視。

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Application and Research Progress of Auxiliary Anode in Arc Ion and Magnetron Sputtering Deposition

1,2,3,1

(1. Key Laboratory of Green Fabrication and Surface Technology of Advanced Metal Materials, Ministry of Education, Anhui University of Technology, Anhui Maanshan 243002, China; 2. China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China; 3. Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou 730000, China)

Through arc ion plating and sputtering deposition equipment, it can load a specific electric field to provide conditions for gas ionization, and load a magnetic field not parallel to the direction of the electric field to make electrons move spirally along the direction of the magnetic field. Also, it can further increase the probability of gas ionization, which is an important method to obtain the desired film quality. The plasma is distributed between the anode and cathode. The magnetic field increases the ionization rate, but it will not change the overall transport direction of electrons and ions in the plasma. At this time, if a pair of anodes and cathodes are added in addition to the original anode and cathode, the transport of electrons and ions between the new anode and cathode will be increased, resulting in great changes in the plasma layout, It will have a significant impact on the movement direction of large particles in the plasma, and guide the plasma to complete the surface treatment of special workpiece for original inaccessible place. The method of adding anode and cathode is often called auxiliary anode technology because the cathode is often equipotential with the vacuum chamber. The location of the auxiliary anode can be divided into three types: 1) it can attract electrons, increase the ionization rate, and reduce the deposition temperature when it is placed near the cathode. At the same time, if there are negatively charged ions, it will also be attracted to the anode. In arc ion plating technology, large particles have large collision cross section, which is easy to collide with electrons and be negatively charged, so large particles will be attracted by anode to achieve the purpose of large particle filtration. 2) The anode is arranged on the back of the substrate. In the process of attracting electrons to the anode, the ionization rate of process gas and sediment near the substrate will increase, and the positive ions will collide with the substrate under the guidance of negative bias, so as to activate the substrate or improve the quality of the film. 3) For special workpieces, such as coating on the inner wall of the tube, the arrangement of auxiliary anodes can improve the uniformity of plasma in the tube cavity, so as to increase the consistency of film thickness and quality. The addition of electric field can be realized by auxiliary anode, and the addition of auxiliary anode only needs to arrange anode with specific shape at specific position of vacuum chamber. Even though additional leads are needed, it only needs a flange port, which is very convenient. The positive voltage of the auxiliary anode is usually between zero and several hundred volts. If it is zero volts, it can be directly connected with the vacuum chamber. That is to say, a certain part of the vacuum chamber can be designed specifically to meet the requirements. Auxiliary anode technology has the characteristics of changing ion energy and direction, which can inhibit large particles and change the ion energy reaching the surface of the film. It is of great significance to improve the quality of the film and worth promoting.

auxiliary anode; arc ion plating; magnetron sputtering; ionization rate; large particle filtration

TG174.444；TB43

A

1001-3660(2022)11-0174-12

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.11.015

2021–08–13；

2021–12–17

2021-08-13；

2021-12-17

趙棟才（1981—），男，碩士，副教授，主要研究方向為表面金屬化、耐高溫抗氧化防護(hù)和硬質(zhì)耐磨損薄膜技術(shù)，以及PVD裝備。

ZHAO Dong-cai (1981-), Male, Master, Associate professor, Research focus: surface metallization, high temperature resistance, oxidation protection and hard wear-resistant film technology, and PVD equipment.

趙棟才, 邱家穩(wěn), 肖更竭, 等. 輔助陽極在電弧離子鍍和磁控濺射技術(shù)中的應(yīng)用和研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(11): 174-185.

ZHAO Dong-cai, QIU Jia-wen, XIAO Geng-jie, et al. Application and Research Progress of Auxiliary Anode in Arc Ion and Magnetron Sputtering Deposition[J]. Surface Technology, 2022, 51(11): 174-185.

責(zé)任編輯：劉世忠