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PVD多弧離子鍍設(shè)備陰極電弧蒸發(fā)源工作穩(wěn)定性的研究
發(fā)布時(shí)間：2020-06-05
一、引言
多弧離子鍍設(shè)備中陰級(jí)電弧藕發(fā)源(靶)的真空電弧放電其工作電流一般為60～100A或更高些，工作電壓約20V，電弧電流集中在靶面的陰極弧斑上，斑點(diǎn)面積很小，電流密度很高。在無外加磁場的情況下，陰極孤斑在靶面上的運(yùn)動(dòng)是無規(guī)則的，其顛簸運(yùn)動(dòng)速度達(dá)每秒幾米，由于這種無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，若斑點(diǎn)移到蒸發(fā)面以外，可能導(dǎo)致滅弧、損壞裝置及污染膜層。如何使蒸發(fā)源穩(wěn)定工作，提高蒸發(fā)源的工作性能，對(duì)提高設(shè)備的整機(jī)水平，提高膜層質(zhì)量極為重要。
二、多弧靶真空電弧穩(wěn)定性的影響因素
對(duì)多弧靶真空電弧的穩(wěn)定性問題，許多科技工作者已進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作，發(fā)表
過許多論文，提出了一些提高電弧燃燒穩(wěn)定性辦法。L.P．Sablev曾提出采用間隙屏蔽和采用一些反饋機(jī)構(gòu)來提高電弧的穩(wěn)定性；H.Wroe建議采用磁場限制陰極弧斑的運(yùn)動(dòng)；C.F.Morrison.Jr．則利用限弧環(huán)限制弧斑移離蒸發(fā)表面的辦法來維持電弧的正常燃燒。
通過大量的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，多弧靶電弧放電的穩(wěn)定性與許多因素有關(guān)。影響效果最顯著的是磁場對(duì)電弧燃燒穩(wěn)定性的影響；同時(shí)陰極表面的清潔程度、陰極靶面的幾何尺寸、幾何形狀及表面狀態(tài)、陰極靶面的表面溫度、電弧電流的大小、真空室內(nèi)真空度及環(huán)境氣氛種類等對(duì)多弧靶電弧燃燒的穩(wěn)定性都有不同程度的影響。
三、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析
1．磁場對(duì)多弧靶電弧燃燒穩(wěn)定性的影響
多弧離子鍍設(shè)備靶源的真空電弧放電是以場致發(fā)射為主，熱電子發(fā)射為輔。場致發(fā)射所需的強(qiáng)電場是靠靶面前的空間電荷產(chǎn)生的，這種真空電弧放電具有相當(dāng)高的離化率，一般離化率為60％～90％，在真空室內(nèi)特別是靶面附近基本上是完全的等離子體。由于磁場對(duì)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)具有很大的影響，從而真空電弧受磁場的控制。
圖1是無外加磁場情況下多弧靶電弧放電的形貌。在這種情況下，陰極弧斑為堆團(tuán)狀，且在靶面上無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，這時(shí)電弧燃燒極不穩(wěn)定，時(shí)常滅弧，靶面刻蝕極為粗糙。
圖1
圖2
圖2是在靶面附近加一非軸對(duì)稱磁場且磁力線平行于靶面的情況下電弧放電的弧斑形貌，這種情況下弧斑亦為堆團(tuán)狀，其運(yùn)動(dòng)是沿一個(gè)方向(與磁場方向有關(guān))，最后停留于靶面外沿一點(diǎn)至到滅弧。
當(dāng)靶面處加一相對(duì)于靶面軸對(duì)稱的磁場時(shí)，堆團(tuán)狀弧斑消失，弧斑在靶面上繞靶軸心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成幾條微細(xì)的弧環(huán)。這種情況下的放電穩(wěn)定性較好(參見圖3)。在陰極靶面上，弧斑位置受磁場控制，靶面處電弧燃燒比較穩(wěn)定的地方也就是磁場最強(qiáng)的地方。
在無外加磁場的情況下，陰極電弧為堆團(tuán)狀。產(chǎn)生這種堆團(tuán)狀弧斑的原因有二點(diǎn)：其一是電弧本身產(chǎn)生的自磁壓縮，類似于兩根平行導(dǎo)線通過同向電流一樣，相互作用力互相吸引。其二是由于弧斑的集中，使弧斑下的陰極靶面溫度極高，產(chǎn)生大量的熱電子發(fā)射，導(dǎo)致弧斑的再集中。這種情況下的弧斑造成靶面的局部熔化，大量蒸發(fā)，甚至產(chǎn)生金屬液滴的飛濺，靶面產(chǎn)生大量的弧坑，同時(shí)影響膜層質(zhì)量。這種無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的弧斑很容易移到非蒸發(fā)面造成電弧的熄滅。
當(dāng)靶面附近加一平行靶面的磁場時(shí)(參見圖2)在磁場作用下帶電粒子只受到一個(gè)方向力的作用，導(dǎo)致弧斑沿一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)且迅速停留在靶邊沿一點(diǎn)，最后熄滅。
靶面附近加一軸對(duì)稱磁墑的情況就不同了，由于這時(shí)磁場既有軸向分量，又有徑向分量，靶面附近的帶電粒子(從靶面蒸發(fā)出來及被電離的)一般其初速度方向與靶面垂直，在磁場徑向分量的作用下及粒子間的相互碰撞，使帶電粒子產(chǎn)生徑向和周向運(yùn)動(dòng)，即
這樣增加了帶電粒子在空間的運(yùn)動(dòng)路程，使其有更多的碰撞、電離機(jī)會(huì)，同時(shí)也改變了空間電荷在靶面前的分布，使其按磁場分布而分布，前兩種情況下的堆團(tuán)狀弧斑分散成均勻的環(huán)狀弧斑。另一方面，弧電流的周向分量與磁場的徑向分量作用形成穩(wěn)弧力，即
結(jié)果使堆積靶面前的空間電荷更加接近靶面(參見圖4)，形成強(qiáng)大電場，維持電弧的正常燃燒。
磁場設(shè)置的是否合理，直接影響到多弧靶工作的特性。不僅如此，磁場還可提高陰極與陽極間的電勢，使從陰極靶源釋放出的原子數(shù)目和粒子束通量密度增加，從而導(dǎo)致靶源沉積率增加，同時(shí)磁場還能改善靶源產(chǎn)生的離子束的方向。
2．陰極表面污染對(duì)電弧燃燒穩(wěn)定性的影響
我曾對(duì)冷陰極電弧作過這樣的試驗(yàn)，在相同的放電條件下(如相同的工作氣氛，相同的真空度，相同的引弧電壓等)，表面很清潔的陰極(如已經(jīng)過燃燒后的陰極)引弧時(shí)比較困難，而表面有污染的陰極(如表面涂有污物的陰極)引弧卻很容易。顯然陰極表面有污染時(shí)容易產(chǎn)生表面的電子發(fā)射。一般污物本身含有多種成分，某些元素很容易發(fā)射電子，另一方面受污染的陰極表面其電子的逸出功降低也比較容易產(chǎn)生電子發(fā)射。多弧設(shè)備的陰極靶源(特別是新靶)其表面通常含有初始污染(如吸附氧等)，由于氧可發(fā)射大量的電子，初始電弧更容易發(fā)生在有污染的地方，直到表面污染被蒸發(fā)完畢才開始正常的靶材蒸發(fā)。所以在靶源的裝配過程中，應(yīng)保證在清潔的狀態(tài)下進(jìn)行，盡量使靶表面特別是非蒸發(fā)表面(如側(cè)面、陰極座、屏蔽件等)不受污染，防止在非蒸發(fā)面放弧，提高靶源工作的穩(wěn)定性和可靠性。另外陰極表面上大量的小孔也會(huì)引起對(duì)電弧燃燒穩(wěn)定性的嚴(yán)重干擾。
3．靶源幾何尺寸及幾何形狀對(duì)電弧穩(wěn)定性的影響
電弧放電弧斑不僅受磁場的限制，也受到靶源邊界的限制。陰極靶面面積越大，可供弧斑移動(dòng)的區(qū)域就越大，越益于電弧的穩(wěn)定燃燒，在相同的工件條件下，Φ250mm的大面積靶源即使在無外加磁場的情況下也可維持電弧放電的進(jìn)行，只是這時(shí)弧斑很粗糙，而Φ6mm的小靶源根本無法保持電弧放電的進(jìn)行。
在磁場設(shè)置等條件相同的情況下，靶源蒸發(fā)表面為平面時(shí)不容易維持電弧的穩(wěn)定燃燒，而將靶面加工成凹面時(shí)(參見圖5)電弧燃燒比較穩(wěn)定。
多弧靶源磁場的設(shè)置均為軸對(duì)稱場，前面已經(jīng)談到，磁場既有軸向分量，又有徑向分量靶面附近的帶電粒子(垂直靶面運(yùn)動(dòng))在徑向磁場的作用下產(chǎn)生周向運(yùn)動(dòng)，而周向運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在軸向磁場的作用下將產(chǎn)生-徑向推力，即
結(jié)果在F作用下帶電粒子向靶外沿方向移動(dòng)(參見圖6)。當(dāng)靶面為凹面時(shí)，由于靶面外沿凸出，阻止了帶電粒子移出靶面外，同時(shí)離子轟擊靶面外沿凸出部分，產(chǎn)生二次電子發(fā)射，有助于電弧的穩(wěn)定燃燒。
4．陰極靶面表面溫度對(duì)電弧燃燒穩(wěn)定性的影響
多孤離子鍍設(shè)備靶源的陰極電弧放電燃燒的穩(wěn)定性依賴于陰極蒸發(fā)表面的溫度，陰極表面溫度的降低會(huì)帶來電弧燃燒很高的穩(wěn)定性。同時(shí)陰極蒸發(fā)表面溫度的降低也會(huì)使金屬蒸氣中的大的濺射物和大的粒子數(shù)降低。
觀察靶陰極電弧的燃燒情況，每當(dāng)電弧熄滅前，總是發(fā)現(xiàn)電弧弧斑極為粗糙(參見圖7)。有時(shí)甚至出現(xiàn)堆團(tuán)狀弧斑。熄滅后觀察靶面已發(fā)紅，靶表面溫度很高，粗糙弧斑的出現(xiàn)，使弧電流較集中于靶面一點(diǎn)，導(dǎo)致了弧斑下靶面斑點(diǎn)電流過于集中，使弧斑下的靶面溫度更高而產(chǎn)生大量的熱電子發(fā)射。靶面局部大量的熱電子發(fā)射的結(jié)果，一方面中和了大量的空間電荷，使陰極表面上的電場成為減速場，甚至導(dǎo)致陰極表面上的電場等于零。另一方面，大量的熱電子發(fā)射對(duì)陰極表面產(chǎn)生相當(dāng)大的冷卻作用。
結(jié)果既沒有空間電荷產(chǎn)生的強(qiáng)大電場來維持表面發(fā)射，也不具備極高的表面溫度來產(chǎn)生熱電子發(fā)射，導(dǎo)致電弧的熄滅。所以在多弧靶源的設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意給陰極靶以充分的冷卻，最好采用直接水冷，間接水冷時(shí)，陰極座等相鄰部件應(yīng)選用導(dǎo)熱性能良好的材料(如銅、鋁等)。
5．電弧電流大小及真空度高低對(duì)電弧燃燒穩(wěn)定性的影響
多弧靶源的真空電弧放電其電弧電流是由靶面上的陰極弧斑提供的，對(duì)某一材質(zhì)的陰極靶來說，陰極斑點(diǎn)上所能承受的電流值是一定的，表1列出了不同陰極材料陰極斑點(diǎn)的平均電流值。陰極斑點(diǎn)數(shù)與電弧電流值成正比。隨著電弧電流的增加，陰極斑點(diǎn)的數(shù)目也增加，且相互獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)。圖8給出了幾種材料的陰極斑點(diǎn)數(shù)與陰極電弧電流間的關(guān)系曲線。假定因某種原因造成某個(gè)弧斑熄滅，但其余的弧斑仍然正常燃燒并很快分裂恢復(fù)原來的電流值和弧斑數(shù)目，使電弧得以穩(wěn)定燃燒。所以電弧電流越大，電弧斑點(diǎn)數(shù)就越多，滅弧的可能性就越小。
電弧放電時(shí)，真空室內(nèi)的真空度越低越益于電弧放電的穩(wěn)定燃燒。隨著真空度的降低，真空室內(nèi)氣體分子密度增加，從而有更多的氣體和金屬蒸氣被電離，容易維持電弧放電的正常燃燒。在相同的工作條件下，在靶面附近通入工作氣體時(shí)電弧燃燒的穩(wěn)定性比不在靶面附近通氣時(shí)要好。
6．環(huán)境氣體種類對(duì)電弧燃燒穩(wěn)定性的影響
不同種類的氣體具有不同的電離電位，表2列出了幾種元素典型的激發(fā)與電離電位數(shù)值。
在相同的工作條件下，一些氣體容易被電離，一些氣體不易被電離。實(shí)驗(yàn)表明，電弧放電時(shí)用N2氣作工件氣體比用Ar氣時(shí)電弧的穩(wěn)定性要好。從表2中可以看出，N和Ar產(chǎn)生一次電離所需要的能量相差不大(1.215V)，但二者的亞穩(wěn)激發(fā)所需要的能量相差較大(9.17V)，在離子氣相沉積中，亞穩(wěn)中性原子的存在對(duì)提高電離幾率起著很重要的作用。N2為雙原子分子，在被電離之前大多被分解，分子的分解能和同元素的原子電離能比是很低的，在低壓等離子體中電子具有很高的能量，它起著重要的媒介作用。電場能量轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，電子再將能量傳遞給分子、原子使其產(chǎn)生分解、激發(fā)、電離。由于N2的分解、激發(fā)所需要的能量比較小，很容易被分解和激發(fā)，受激原子已獲得了一部分能量，再有較少的能量就可以被電離-累積電離。這樣N2的電離比較容易，它既可以逐次的獲得能量產(chǎn)生累積電離，同時(shí)也可以一次獲得較高能量而直接被電離。同N2比Ar氣由于激發(fā)能較高，產(chǎn)生累積電離的幾率較少，只有一次獲得足夠高的能量才可產(chǎn)生電離，這樣Ar氣比N2氣電離困難，造成N2比Ar維持電弧燃燒的穩(wěn)定性好。
四、結(jié)論
1．外加磁場對(duì)多弧靶源的電弧放電的穩(wěn)定燃燒有相當(dāng)大的影響，合理的磁場設(shè)置將帶來電弧燃燒好的穩(wěn)定性。
2．電弧燃燒的穩(wěn)定性與陰極靶面溫度有關(guān)，過高的陰極靶面溫度對(duì)電弧燃燒的穩(wěn)定性有不利的影響。
3．電弧電流越大，陰極靶面面積越大，越有益于電弧的穩(wěn)定燃燒
4．放電真空度低，陰極靶面有凹面，靶源表面清潔程度好時(shí)，電弧放電穩(wěn)定性較好。
5．電弧放電其環(huán)境氣體種類對(duì)電弧的穩(wěn)定性有一定的影響。
文章來源于互聯(lián)網(wǎng)，作者袁哲、張樹林、李爭顯、王福貞
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