過濾管道磁場在改進(jìn)真空弧沉積系統(tǒng)中的作用

1、第35卷第3期2001年5月原子能科學(xué)技術(shù)AtomicEnergyScienceandTechnologyVol.35,No.3May2001文章編號:100026931(2001)0320229205過濾管道磁場在改進(jìn)真空弧沉積系統(tǒng)中的作用王廣甫1,2,張薈星2(11北京師范大學(xué)分析測試中心,北京100875;21100875)摘要:在90°30V的正偏壓可使磁過濾管道起到陰極弧,MEVVA源陽極2陰極和磁過濾管道2陰。研究結(jié)果表明:隨磁過濾磁場升高,磁過濾管道和陰極之間的弧放電規(guī)模降低,系統(tǒng)的等離子體傳輸效率升高,但對MEVVA源陽極和陰極之間的弧放電規(guī)模影響不大。關(guān)鍵詞:陰極真

2、空弧放電;磁過濾管道;第二陽極作用;磁過濾管道磁場中圖分類號:TL657文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A陰極真空弧沉積技術(shù)適用于薄膜合成方法,但會造成大顆粒污染。在消除陰極真空弧等離子體中大顆粒的方法中,偏轉(zhuǎn)管道磁過濾方法最為成功,它采用一相對MEVVA等離子體源陽極加有20V正偏壓、偏轉(zhuǎn)90°的磁螺旋管來消除大顆粒污染1,2。磁過濾管道正偏壓加在管道和MEVVA源的陰極之間時,磁過濾管道在過濾大顆粒的同時還作為MEVVA源第二陽極,與陰極產(chǎn)生陰極真空弧放電3。由于磁過濾管道的第二陽極作用,MEVVA源的陰極消耗率大幅度上升,使系統(tǒng)在不增大MEVVA源原有主弧電源功率的情況下,僅靠改變磁過濾管道正偏壓

3、的供電方式,即可大幅度提高系統(tǒng)的沉積速率3。本工作就磁過濾管道磁場對MEVVA源陽極2陰極和磁過濾管道2陰極兩個回路弧放電和磁過濾管道傳輸效率的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,并從系統(tǒng)弧放電規(guī)模和傳輸效率兩個角度對磁過濾管道磁場的作用進(jìn)行討論。1實(shí)驗(yàn)裝置3實(shí)驗(yàn)裝置由MEVVA等離子體源、磁過濾管道和沉積靶室三部分組成,裝置示意圖示于收稿日期:2000201210;修回日期:2000209207基金項(xiàng)目:國家“八六三”計劃資助項(xiàng)目(8632715200820040),男,河北臨城人,副研究員,博士,核技術(shù)專業(yè)作者簡介:王廣甫(1964© 1994-2006 China Academic Journa

4、l Electronic Publishing House. All rights reserved. 230原子能科學(xué)技術(shù)第35卷圖1。一臺MEVVA等離子體源4用來產(chǎn)生等離子體。MEVVA源工作于脈沖狀態(tài),陰極直徑為20mm,陽極孔徑為68mm。主弧脈沖寬度為215ms,脈沖(觸發(fā))頻率225Hz連續(xù)可調(diào)。用來對MEVVA源產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行約束和壓縮的聚焦磁場由陽極筒外所繞線包產(chǎn)生。線包由一030V、05A的直流電源供電,可在陽極中心產(chǎn)生010mT的軸向磁場。MEVVA源產(chǎn)生的陰極材料等離子體經(jīng)過一根偏轉(zhuǎn)90°的不銹鋼磁過濾管道濾掉大顆粒后進(jìn)入沉積靶室。磁過濾管道偏轉(zhuǎn)半徑為94

5、mm,孔徑為68mm,管道內(nèi)等離子體導(dǎo)向磁場由管道外所繞線包產(chǎn)生。勵磁線包由一臺0100V、05A的直流電源供電,可在管道中心產(chǎn)生038mT的軸向磁場。不同于一般磁過濾陰極真空弧沉積裝置的是:磁過濾管道正偏壓為3060V,且加在管道和MEVVA源陰極之間。在此偏壓下,磁過濾管道和陰極之間產(chǎn)生陰極真空弧放電。這樣,磁過濾管道既起過濾大顆粒的作用,又作為陰極弧放電的第二陽極,使系統(tǒng)的弧放電規(guī)模大幅度增加3。正偏壓電源電容為105F,持正偏壓的穩(wěn)定流很大,沉積裝置。實(shí)驗(yàn)條件為:采用直徑20mmTi陰極,觸發(fā)頻率4Hz,弧壓100V。靶室沉積束流由距離磁過濾管道出口55mm、直徑為100mm的圓盤靶測

6、量。靶上加負(fù)100V的電壓。MEVVA源陽極電流和磁過濾管道電流分別用MEVVA主弧電路和管道正偏壓電路中串聯(lián)的10A/75mV和20A/75mV的分流器測量。實(shí)驗(yàn)過程中,系統(tǒng)真空好于4×10-4Pa。圖1改進(jìn)磁過濾陰極真空弧沉積裝置示意圖Fig.1Theschematicdiagramofamodifiedvacuumarcdepositionapparatuswiththeductpositivelybiasedrelativetothecathode2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論211磁過濾管道磁場對靶上沉積離子流強(qiáng)的影響圖2為弧源聚焦磁場勵磁電流IBf為114A時,磁過濾磁場勵磁電流IBd

7、對靶上沉積離子流強(qiáng)Itarget的影響?？梢钥吹?對不同的管道正偏壓Vbias,靶上離子流強(qiáng)均有一最大值,而達(dá)到最大值時的過濾磁場隨管道正偏壓的升高明顯增大。這是因?yàn)楣艿勒珘荷?磁過濾管道和陰極間的弧放電規(guī)模變大,通過管道的等離子體密度增大,因此,達(dá)到同樣的壓縮和導(dǎo)向作用所需要的過濾磁場勵磁電流隨之增大。圖3為過濾管道正偏壓為40V時,在不同弧源聚焦磁場勵磁電流IBf情況下的磁過濾管道磁場勵磁電流IBd對靶上沉積離子流強(qiáng)Itarget的影響。顯然,在聚焦磁場較低時,靶上沉積離子流強(qiáng)隨過濾磁場升高近似線性增大,聚焦磁場較高時,靶上沉積離子流強(qiáng)Itarget隨過濾磁場的變化皆為先增后降,且It

8、arget達(dá)最大值時的IBd均為018A,對應(yīng)磁過濾管道中心磁場約為7mT。這是因?yàn)?當(dāng)正偏壓加在磁過濾管道和陰極之間時,在陽極和陰極間產(chǎn)生弧放電的同© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期王廣甫等:過濾管道磁場在改進(jìn)真空弧沉積系統(tǒng)中的作用231時,過濾管道和陰極之間也產(chǎn)生了陰極弧放電。在過濾管道偏壓較高時,后者的規(guī)模較前者大得多。所以,在討論磁過濾磁場對系統(tǒng)工作特性的影響時,不僅要考慮管道磁場對等離子體的壓縮和導(dǎo)向作用,更需要考慮它對管道和陰極間弧

9、放電的影響。在IBf較小時,MEVVA源陽極和陰極之間弧放電規(guī)模較大,而過濾管道和陰極之間弧放電規(guī)模較弱5,過濾管道磁場對MEVVA源產(chǎn)生等離子體的導(dǎo)向和聚焦作用占主導(dǎo)地位,管道磁場越強(qiáng),等離子體傳輸效率越高,Itarget越大;在IBf較大時,管道的第二陽極作用很強(qiáng),MEVVA源本身的弧放電已很弱甚至熄滅5,此時,磁過濾管道磁場對管道和陰極間弧放電等離子體的導(dǎo)向聚焦作用占主導(dǎo)地位,管道磁場增大,等離子體傳輸效率隨之升高,弧放電規(guī)模變小,因此,出現(xiàn)最大值。圖2Vbias下的IBd對靶上沉積離子流強(qiáng)Itarget的影響Fig.2Influenceofthefilteringductmagnetc

10、urrentontheaverageductoutputionbeamcurrentatvariousductpositivebias弧源聚焦磁場電流:114A1Vbias=40V;2Vbias=50V;3Vbias=60V圖3不同弧源聚焦磁場IBf情況下的磁過濾管道磁場勵磁電流IBd對靶上沉積離子流強(qiáng)的影響Fig.3Variationoftheductoutputwiththefilteringductmagnetcurrentatvariousfocusingmagneticfieldcurrent過濾管道正偏壓:40V1IBf=0A;2IBf=014A;3IBf=019A;4IBf=11

11、4A;5IBf=118A212過濾管道磁場對系統(tǒng)弧放電的影響實(shí)驗(yàn)觀察到:磁過濾磁場對弧源陽極電流(MEVVA源陽極和陰極之間的弧放電電流)的影響不明顯。原因在于:在此情況下,過濾管道和陰極間產(chǎn)生了弧放電,弧源中等離子體密度較高,較小的磁過濾管道邊緣場對MEVVA源的陰極真空弧放電影響很小。圖4為弧源聚焦磁場電流為018A時,不同過濾管道偏壓Vbias下的磁過濾磁場勵磁電流IBd對打到磁過濾管道上電流Iduct和系統(tǒng)總弧流Iarc的影響。過濾管道電流隨管道磁場的升高而減低,這主要是管道磁場對等離子體的壓縮和導(dǎo)向作用引起的。因管道磁場升高使磁過濾管道和陰極間的等離子體橫向電阻增大,從而使管道和陰極

12、之間的弧放電規(guī)模降低。另外,當(dāng)較低的正偏壓加在管道和陰極之間時,較高的過濾磁場可使管道電流變?yōu)樨?fù)值。這是因?yàn)?磁場對電子比對離子具有更強(qiáng)的壓縮作用。磁場較高時,因受磁場的約束作用,當(dāng)打到過濾管道的離子流大于電子流時,磁過濾管道電流將出現(xiàn)負(fù)值。實(shí)際上,此時的磁過濾管道已不再起第二陽極的作用,達(dá)到管道內(nèi)的等離子體是由MEVVA源產(chǎn)生的。© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 232原子能科學(xué)技術(shù)第35卷圖4在不同過濾管道偏壓下的磁過濾磁場勵磁電流IBd對打到磁

13、過濾管道上電流Iduct(a)和系統(tǒng)總弧流Iarc(b)的影響Fig.4Variationoftheductcurrent(a)andthetotalarccurrent(b)withthefilteringductmagnetcurrentatduct181Vbias=30V;2Vbias=V50biasV由上述可知:4a的規(guī)律一致。,在這種改進(jìn)磁過濾管道的工作方式下,磁過濾管道磁場和管道偏壓對MEVVA源陽極和陰極之間的弧放電影響很小3,它對系統(tǒng)總弧流的影響是通過影響管道和陰極之間的弧放電電流IBd實(shí)現(xiàn)的。213過濾管道磁場對系統(tǒng)傳輸效率的影響按慣例,磁過濾真空弧沉積系統(tǒng)的等離子體傳輸效率

14、用沉積靶室獲得束流Itarget與系統(tǒng)總的弧放電電流Iarc的比值來表示。圖5為磁過濾管道正偏壓為40V時,不同聚焦磁場勵磁電流IBf下過濾管道磁場勵磁電流IBd變化對系統(tǒng)傳輸效率的影響。顯然,在IBd為012018A時,過濾管道的傳輸效率隨過濾管道磁場圖5不同聚焦磁場IBf下過濾管道磁場勵磁電流IBd對系統(tǒng)傳輸效率的影響Fig.5Influenceofthefilteringductmagnetcurrentontheplasmatransportefficiencyatvariousfocusingmagnetcurrent磁過濾管道正偏壓:40V1IBf=014A;2IBf=018A;的

15、上升而很快增高。進(jìn)一步提高過濾管道磁場時,3IBf=110A;4IBf=114A;系統(tǒng)傳輸效率僅緩慢增高。這主要是因?yàn)檫^濾磁5IBf=118A場較低時其對等離子體導(dǎo)向作用和約束作用隨磁場增大而增大。過濾磁場較高時,離子導(dǎo)向中心對管道幾何中心的偏離不大,導(dǎo)向作用已基本飽和,僅有對等離子體的約束作用隨磁場升高而增大,所以,傳輸效率隨管道磁場的增大不如磁場低時快。© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期王廣甫等:過濾管道磁場在改進(jìn)真空弧沉積系統(tǒng)中的作用23

16、33結(jié)論由于對等離子體的導(dǎo)向和壓縮作用,磁過濾管道磁場升高,系統(tǒng)等離子體傳輸效率隨之提高。但由于它對磁過濾管道和陰極之間陰極真空弧放電的抑制作用,使得系統(tǒng)陰極真空弧放電規(guī)模隨管道磁場的升高而降低。由于以上兩種作用的結(jié)果,沉積離子流強(qiáng)有一峰值。管道磁場低時,管道磁場對系統(tǒng)等離子體傳輸效率的影響占主導(dǎo)地位,靶上沉積離子流強(qiáng)隨管道磁場升高而增大;過濾管道磁場較高、對等離子體的導(dǎo)向作用基本飽和時,它對過濾管道和陰極之間弧放電的抑制作用占主導(dǎo)地位,靶上沉積離子流強(qiáng)隨管道磁場升高而降低。參考文獻(xiàn):1AksenovII,BelokhvostikovAN,PadalkaVG,etal.PlasmaFluxMo

17、tioninaToroidalPlasmaGuideJ.PlasmaPhysControlFusion,1986,28:76177012AndersS,AndersA,BrownIG.TransportofVacuumArcPlasmasThroughMagneticFiltersJ.JApplPhys,1993,74:4239424413WangGuangfu,ZhangHuixing,ZhangXiaoji.AArcImplanta2tionandDepositionFacilityWiththeFilteringSurfaceandCoatingTech2nology,2000,128/

18、1294Zhang,TheBeijingMetalVaporVacuumArcIonSourcePro2gramJ.,1994,65(10):3088309115王廣甫,聚焦磁場對系統(tǒng)弧放電和傳輸效率的影響J1北京師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2000,36(3):3403431EffectsoftheFilteringDuctMagneticFieldinaModifiedVacuumArcDepositionApparatusWANGGuang2fu1,2,ZHANGHui2xing2(11CenterofAnalyticalandTesting,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;21InstituteofLowEnergyNuclearPhysics,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)Abstract:Whenthemagneticfilterductisbiasedpositively3060VrelativetothecathodeoftheMEVVAplasmasource,acathodicvacuumarcdischargeisge