电弧源薄膜制备磁过滤系统电磁场模块调整的研究

王昆　马贝

摘 要：电弧源薄膜制备具有高离化率、高离子能量和高沉积速率的特点，但是“大颗粒”问题严重影响着薄膜的质量。文中采用YBHИΠA-1-001型硬质镀膜机，研究分析了磁过滤系统中的偏移磁场、聚焦磁场、稳弧磁场及其相互作用。针对阴极靶材周围的电磁场的作用，本文采取大量实验观察分析，最终得到如下结论：通過偏移磁场幅值的调整，阴极靶材表面放电区域从靶材表面一侧向另一侧移动；而聚焦磁场则主要影响靶材表面放电区域的大小，稳弧磁场主要影响阴极弧斑在靶材表面运动的稳定性。

关键词：电弧源；磁过滤；阴极弧斑；偏移磁场；聚焦磁场；稳弧磁场

电弧源薄膜制备技术具有高离化率、高离子能量和高沉积速率的优点，在类金刚石硬质薄膜、复合成分硬质膜层、金属化合物薄膜、透明导电膜的制备方面具有重要的意义，特别是在TiN等硬质涂层领域，已经成为最主要的制备技术[ 1-3 ]。对于严重影响电弧源技术制备薄膜质量的“大颗粒”问题，通过磁过滤技术的引入将得到极大改善，从而使其在光学薄膜的制备领域得到延展[ 4-5 ]。目前对于电弧源薄膜制备技术的研究大多集中在薄膜特性和“大颗粒”的去除方面，但是关于靶材周围电磁场对电弧源工作稳定性影响的研究甚少，特别是关于阴极靶材表面放电情况随磁场的变化缺少研究。因此本文在阴极电弧源薄膜制备技术的基础上，研究了磁过滤模块中的偏移磁场、聚焦磁场和稳弧磁场对电弧源工作稳定性的影响。

1 实验

1.1 实验设备

实验设备采用YBHИΠA-1-001型硬质镀膜机，该设备采用电弧源进行薄膜制备，原理如图1所示。实验中，阴极靶材通过引弧作用电离产生等离子体，靶材粒子离开阴极表面后经过磁场区域，由于电离的靶材粒子带有电荷，因此将产生偏转效应，而大颗粒由于承电中性，则继续沿着射出方向运动。如图所示，两者将产生分离，从而薄膜成膜质量将大幅度提高。

1.2 实验方法

实验中阴极靶材附近电磁场模块结构如图2所示，该结构主要分为两部分，一部分由横向放置的三组通电线圈产生磁场，分别形成偏移磁场、聚焦磁场和稳弧磁场作用；另一部分由纵向放置的一组通电线圈产生磁过滤磁场，而阴极靶材主要受前者影响。实验中，由于阴极靶电流的改变将会影响磁场的作用，因此实验中将阴极靶电流固定在90A，其他基本参数为：本底真空度5×10-3Pa，Ar气体流量70sccm，工作真空度2.3×10-1Pa。

2 实验结果及分析

2.1 偏移磁场

首先对偏移磁场进行调整，而聚焦磁场需要适当进行调整，以便具有更好的观测效果。实验观察，随着偏移磁场幅值的增加，阴极靶材表面放电区域出现平移效果，如图3所示，实验中随着偏移磁场幅值的增加，阴极靶材表面放电区域由左向右沿径向移动，当调至24mV左右时，放电区域主要集中在阴极靶材表面中心区域。

2.2 聚焦磁场

实验中调整聚焦磁场幅值，可观察到图3所示现象。实验中将偏移磁场设为24mV，逐渐增加聚焦磁场，结果阴极靶材表面放电区域逐渐呈收缩变化，当幅值在3.2A左右时，放电区域基本收缩在靶材表面且面积较大。

2.3 稳弧磁场

实验中，选用多种阴极靶材（铝、银、钛、钽），通过大量实验观察，当调整稳弧磁场时，针对每一种阴极靶材，稳弧磁场都会有一定的幅值区间，区间内随着幅值的增加，阴极靶材表面的放电剧烈程度和稳定性均程递增趋势。

2.4 磁场的相互影响

通过以上实验观测，单一调整三组磁场模块时，阴极靶材放电情况均会受到不同的影响，主要表现为阴极靶材放电区域在位置、面积大小、剧烈程度方面的变化；但是当交叉调整时，相互之间又均会对其他磁场模块的效果产生影响，归于靶材附近磁力线的改变。分别选用不同阴极靶材（铝、银、钛、钽），并且综合调整三组模块，三者之间的影响主要表现为随着偏移磁场的增加，当其高于某值后（靶材不同幅值有所变化），聚焦模块和稳弧模块的调整也将影响阴极靶材表面放电区域位置的变化，即沿某一径向移动。

3 总结

本文在阴极电弧源薄膜制备技术的基础上，研究（下转第156页）（上接第143页）了磁过滤模块中的偏移磁场、聚焦磁场和稳弧磁场对电弧源工作稳定性的影响。通过大量的实验观测和分析，单独调整偏移磁场、聚焦磁场和稳弧磁场，则分别影响阴极靶材表面放电的位置、面积大小和剧烈程度；综合调整三组磁场时，则主要表现为随着偏移磁场的增加，当其高于某值后（靶材不同幅值有所变化），聚焦模块和稳弧模块的调整也将影响阴极靶材表面放电区域位置的变化，即沿某一径向移动。因此，在采用阴极电弧源制备薄膜时，综合本文以上结论调整电磁场模块，调整效率及工作稳定性将得到有效促进。

参考文献：

[1] 闻立时，黄荣芳.离子镀硬质膜技术的最新进展和展望[J].真空，2000，（1）：1-11.

[2] 苗景峡，王桂荣，吴茂林.电弧放电离子镀[J].光学工程，1988，6：13-16.

[3] 姜雪峰，刘清才，王海波.多弧离子镀技术及其应用[J].重庆大学学报（自然科学版），2006，29（10）：55-57

[4] 戴华.真空阴极电弧离子镀层中大颗粒去除技术研究[D].上海.上海交通大学，2009.

[5] 吴瑜光，张通和，张荟星，等.磁过滤阴极真空弧沉积薄膜研究[J].微细加工技术，2001，1：45-49.