电源参数对可控区域空心阴极放电的影响①

孙薇薇，杨 海，吴明忠，田钦文，李慕勤,*

(佳木斯大学a.理学院，b机械工程学院，c.材料科学与工程学院，黑龙江 佳木斯 154007，d.哈尔滨工业大学材料学科与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

0 引 言

类金刚石(Diamond-like Carbon，DLC)薄膜因具有高硬度、低摩擦系数、低电导率和良好的生物相容性等优点而备受关注[1]。在众多的DLC薄膜制备技术中，美国西南研究院的Ronghua Wei 博士发明的MPIID[2](Meshed Plasma Immersion Ion Deposition)和哈尔滨工业大学的吴明忠博士提出的偏压调控笼形空心阴极放电[3,4]具有等离子体密度高、沉积速率高的优势，可实现批量和复杂形状零件的表面镀膜。但是上述两种方法必须将工件置于笼网内部，由于笼网尺寸的限制，并不适用于大型工件镀膜。为了在大型工件表面实现DLC薄膜沉积，开发了可控区域空心阴极，摒弃了原来封闭的空心阴极结构，将笼网放置在大型工件表面，二者彼此绝缘，工件表面与笼网构成空心阴极结构，这种开放式结构允许在工件和笼网之间施加偏压，以提高Si-DLC薄膜的性能。在此结构中，真空室和笼网分别1接脉冲电源的正负极，笼网和工件分别接脉冲电源的正负极。为了避免脉冲电源和偏压电源出现短路，在两个电源之间设计了匹配网络，将脉冲电源和偏压电源解耦，并考察了Ar气氛下脉冲电源参数对可控区域空心阴极放电特性和发射光谱的影响。

1 实验方法

1.1 实验装置

图1为可控区域空心阴极放电装置示意图。笼网尺寸为300 mm×200 mm×200 mm，工件与笼网之间留有5mm的间隙以保证彼此绝缘。P1为脉冲电源，为等离子体激励提供能量；P2为偏压电源，为笼网和工件之间提供额外的电势差。脉冲电源和偏压电源之间的匹配网络确保二者电气绝缘。工作气体为氩气。

图1 可控区域空心阴极放电装置示意图

1.2 测量方法

放电系统包括脉冲电源，测试电路和放电装置。笼网电流和工件电流分别通过传感器采集，利用示波器输出。脉冲电压由900 V变化到1500 V，测量间隔为100 V；脉冲频率从200 Hz变化到1000 Hz，测量间隔为200 Hz；脉冲宽度为5 μs至20μs，测量为间隔5μs。偏压为0V至-250V，测量间隔为-50V。

2 结果与讨论

2.1 脉冲电源的影响

2.1.1 脉冲电压

在放电过程中很多因素都会影响放电电流，其中脉冲电压的影响最为重要的因素之一。Hillmann等[5]的研究表明，电子与中性分子的碰撞、离子与中性分子的碰撞和因撞击而产生的二次电子的发射都依赖于脉冲电压，影响辉光放电强度。

图2 为氩气气氛下笼网电流波形随脉冲电压变化曲线。随着脉冲电压的增加，笼网电流波形由矩形向三角形转变，峰值电流明显上升。在脉冲电压初始阶段，笼网电流值较小，这时等离子体的等效电阻较大；当脉冲接近尾声时，进入空心阴极放电阶段，笼网电流快速增长，曲线斜率明显增大，在脉冲电压为900 V时，笼网电流曲线斜率为1.7，而当脉冲电压升至1500 V时，笼网电流曲线斜率增加为6，说明当脉冲电压升高时，笼网电流随之升高，促进空心阴极放电。

图2 笼网电流波形随脉冲电压变化

较高的脉冲电压产生的等离子体密度较高，当脉冲结束时，真空室内残余的等离子体较多(图2中的拖尾电流越大，说明残余的等离子体密度越大)，同时脉冲电压也较高，所以笼网电流波形的初始电流值随脉冲电压的升高而增大，如图2中插图所示。对于笼网电流的峰值电流来源于脉冲后期高压产生的雪崩效应，所以脉冲电压越高，笼网电流的峰值电流越大。

Catherine等[6]证明中频PECVD制备DLC薄膜技术中，流经工件的电流密度是制备DLC薄膜很关键的指标。图-3所示为工件电流随脉冲电压变化曲线。随着脉冲电压的升高，工件电流也随之升高，变化趋势与笼网电流随脉冲电压变化趋势一致。在脉冲结束之后，工件电流存在较长时间(约30μs左右)的拖尾电流，拖尾电流的存在，表明在单个脉冲放电的间隙中，笼内还有大量的等离子体残留，对下一个脉冲的点燃具有促进作用。

图3 工件电流波形随脉冲电压变化

2.1.2 脉冲频率

脉冲频率也对笼网电流的波形有影响，如图4为不同脉冲频率的笼网电流波形和电流值。放电条件为Ar气压为5.0 Pa，脉冲电压为1200 V，脉冲宽度为20 μs，笼网-工件间隙为5 mm，工件上的偏压为-200V。随着脉冲频率的增加。Matossian等[7]人也观察到脉冲频率对电流波形的影响。他们认为先前脉冲产生的残余等离子体充当下一脉冲的种子等离子体，促进下一个脉冲的点燃。随着脉冲频率逐渐增大，脉冲电压的间隔缩短，笼网内的残余等离子体数量增多，等离子体阻抗降低，下一个脉冲来临时作为种子的等离子体数量增多，表现为初始电流升高。这一结果也与参考文献[8]中报告的工作一致：在脉冲频率较高的情况下，由于脉冲关闭期时间较短，并且残余等离子体的密度较高，因此初始电流较高。另外，残余等离子体密度可能会影响鞘层的厚度。当脉冲频率较高时，脉冲间隔时间短，在下一个脉冲来临时残余等离子体还没有耗尽，提高了脉冲开始阶段的等离子体密度，等离子体鞘层较薄，提升了笼网电流的初始电流。

图4 不同频率的笼网电流波形

虽然脉冲频率改变了笼网脉冲电流的初始电流和峰值电流的大小，但是整个脉冲过程中的平均电流却变化不大，可见脉冲频率改变的仅仅是脉冲间歇的残余等离子体的数量。

2.1.3 脉冲宽度

图5为笼网电流波形随脉宽的变化。

图5 笼网电流波形随脉宽变化

笼网电流随着脉宽的增加快速上升，当脉宽为5 μs时，笼网峰值电流为5 A，而当脉宽增加到20 μs时，笼网峰值电流快速增加到34.4 A。可见脉宽是影响等离子体能量输入的关键因素。随着脉宽的增加，施加在等离子体上的脉冲电压持续时间变长，为等离子体中的电子和离子提供的能量增多，导致气体的电离概率增加，因此获得了较高的笼网峰值电流。而且随着脉宽增加，笼网的放电电流增加，同时脉冲关断期间残余的等离子体密度变大，导致初始电流也随之增大，即形成了图5所示的波形。在笼网电流的波形中也观察到了明显的拖尾电流，进一步证明了脉宽越大，脉冲结束后残余等离子体密度越大。

2.2 偏压电源的影响

图6为不同偏压条件下的笼网电流和工件电流的波形。图6 a)所示的笼网电流波形受偏压影响比较明显。在偏压小于-100 V时，笼网电流变化趋势如下：与没有施加偏压时相比，偏压为-50 V时的笼网电流出现下降的趋势，当偏压为-100 V时，笼网电流达到最低值34.4 A。而当偏压达到-150 V或更高时，笼网电流呈现上升的趋势，偏压为-250 V时，笼网电流达到52.4 A，远大于没有偏压时的37.6 A。

同样，当不同偏压施加在工件与笼网之间时，对工件电流也产生明显的影响。图6 b)所示为不同偏压条件下工件电流波形的变化。工件电流的变化与笼网电流变化一致工件电流提高了50%。

图6 不同偏压条件下的电流波形

3 结 论

氩气气氛下对可控区域空心阴极放电特性进行了研究，结果表明：较高的脉冲电压和脉冲宽度能够为等离子体中的电子和离子提供较多的能量，促进空心阴极放电。脉冲频率对空心阴极放电的平均电流影响不大。当偏压超过-100 V时，空心阴极放电随偏压增大而增强。较高的偏压有助于促进空心阴极放电。