（等离子体物理专业论文）磁过滤真空弧制备纳米薄膜装置的研究.pdf

东华大毒学位论文原创性声吐删删t 8 删1 4 5 t 8 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 务澎 日期：2d 印年f 月j 1 日 lii r卜r- 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密囱，在j l 年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名： 聋至、试 日期：2 0 d 7 年f 月j j 日 指导教师签名：弓忍渤f 日期：励7 年1 月1 2 目 磁过滤真空弧制备纳米薄膜装置的研究东华大学硕士学位论文 磁过滤真空弧制备纳米薄膜装置的研究 摘要 磁过滤真空弧制备薄膜是一种新型的薄膜制备方式。本文主要论 述了磁过滤真空弧制备纳米薄膜装置的研究和磁过滤弯管中带电粒 子的数值模拟计算。其中重点研究的是高压脉冲大电流电源及其触发 发生器、放电电极和磁过滤弯管装置。后期的附加工作中，我们又尝 试利用移动式探针对真空阴极等离子体进行了诊断研究。 我们研究了脉冲形成网络( p 刚s ) 的基本原理：z r 导致电容会反向充电，返回p f n 电容器 中的能量只有当电容器始终从同一极充电时才能被有效利用。引入了 一种“效率增强二极管”，这种二极管可以使l c 电路出现多个弧脉 冲，并且电容器总是从一个合适的方向充电，不需要提高输入功率就 可以使电容器重复充电更加迅速，p f n 运行时具有更高的脉冲重复频 率( p u l s er e p e t i t i o n 行e q u e n c y 简称p r f ) 。基于此原理，我们自行设 计了一台高压脉冲大电流电源装置。我们设计并搭建了一套触发发生 器装置，发生器产生的脉冲宽度为3 0 0l as ，脉冲电压峰值约为1 5 v 。 这套装置能够成功的触发k p ( 3 c t ) 2 0 0 0 a 平板型晶闸管，使得高压脉 冲大电流电源正常工作。然后，我们利用该电源对两个碳棒电极进行 了尖端弧放电试验，并对其放电特性进行了研究，试验表明该电源装 磁过滤真空弧制各纳米薄膜装置的研究东华大学硕士学位论文 置为将来利用阴极弧等离子体制备薄膜提供了良好的电源条件。我们 设计了阴极真空电弧电极，并制作了两个磁过滤弯管，一个是带有 9 0 0 磁滤，另一个带有接续式9 0 0 磁滤( 即s 形) 。对于9 0 0 弯管，其 传输效率相对要高一些；而对于s 型弯管，制备出的薄膜更加的致密 均匀，然而传输效率相对受到一定的限制。 描述了在9 0 。螺线管中通过磁过滤移除大粒子后等离子的运动， 然后用电磁场数值分析中的有限元法算出带电粒子在螺线管中运动 的主要算法，并用m a t l a b 语言编程绘出螺线管、螺线管中的磁力线以 及带电粒子在螺线管中运动的方程和图象。通过螺线管中大小颗粒粒 子运动图象的比较来说明磁过滤器的过滤原理。 随着阴极弧等离子体工业应用的日益广泛，特别是阴极弧等离子 体制备纳米叠层膜和超硬膜等新一代表面技术的出现，消除大颗粒和 提高阴极弧等离子体传输效率研究工作受到普遍重视，成为研究的热 点。我们设计的整套装置能够稳定控制阴极弧的产生以及沉积薄膜的 厚度，并有效的清除其中的大颗粒杂质，得到优质的薄膜，因此该套 装置在将来会有非常广阔的工业前景。 另外，还利用移动式单探针对不同电源偏压、不同气压以及不同 位置的空心阴极等离子体进行了诊断，分析了电压和气压对空心阴极 等离子体的影响，并对测量数据中表征等离子体空间电位v s p 的拐点 不明显这一现象进行了解释。 关键词：阴极弧，等离子体，磁过滤，脉冲，螺线管 磁过滤真空弧制各纳米薄膜装置的研究 东华大学硕士学位论文 一一 t h er e s e a r c ho n i n s t a l l a t i o no fp r e p a r i n g n a n o _ f i l mb y m a g n e t i cf i l t e r e dv a c u u m - a r c a b s t r c t m a g n e t i cf i l t e r e dv a c u u m a r cp l a s m ap r e p a r a t i o no f f i l m si san e w t y p ef a s h i o n i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c ho fi n s t a l l a t i o nt 1 1 a t i su s e dt o p r e p a r ef i l m sw i t hm a g n e t i cf i l t e r e dv a c u u m a r cp l a s m aa n d n u m e r i c a l v a l u ea n a l o gc o m p u t eo fe l e c t r i cp a r t i c l e si nt h em a g n e t i ct i l t e r e dc u l v e d u c tw e r ed i s c u s s e d t h ep o w e r s u p p l yw i t hh i g hv o l t a g ep u l s e sa n d h i g he l e c t r i cc u r r e n t ，i t st r i g g e r , e l e c t r o d ea n dm a g n e t i cf l i t e r e d c u r v e d u c th a v eb e e ns t u d i e d s p e c i a l l y i na d d i t i o n ，w et r i e dt os t u d yt h eh o l l o w c a t h o d ep l a s m ab ym o v e a b l e p r o b e w es t u d i e dp r i n c i p l eo fp f n s ：i f z r , t h ec a p a c i t o r s w i l l c h a r g ei nt h eo p p o s i t e p o l a r i t y ar e t u r no ft h ee n e 斟t ot h e c a p a c i t o r si su s e f u lo n l yi ft h ec h a r g ei ss u p p l i e dw i t ht h ec o r r e c t p o l a r i t y i n t r o d u c e da n “e f f i c i e n c y e n h a n c i n gd i o d e w h i c ha 1 1 0 w st h e l cc i r c u i t t od oo n e m o r e “s w i n g ”a f t e rt h ea r c p u l s e ，t h e r e b yc h 鹕吨t h e c a p a c i t o r st ot h ec o r r e c tp o l a r i t y t h ec a p a c i t o r sa r et h e r e f o r er e c h a r g e d m u c hf a s t e ri ft h e e f f i c i e n c y - e n h a n c i n gd i o d ei su s e d ，a n dt h ep f nc a nb e 磁过滤真空弧制各纳米薄膜装置的研究 东华大学硕士学位论文 o p e r a t e da t am u c hh i g h e r p u l s er e p e t i t i o nf r e q u e n c y ( p r f ) w i t h o u t i n c r e a s i n gt h ei n p u tp o w e r b a s i n go nt h i sp r i n c i p l e ，w eh a v ed e v i s e da n i n s t a l l a t i o no fh i g h v o l t a g ep u l s e sa n dh i g he l e c t r i cc u r r e n tp o w e r s u p p l y b yo u r s e l v e s a n dw eh a v ed e s i g n e dat r i g g e rw h i c hc o u l d t o u c ho f ft h e p o w e rs u p p l y t h ew i d t ho fp u l s eo ft h et r i g g e ri sa b o u t30 0u s ，a n dt h e p e a kv a l u eo fp u l s ev o l m g ei sa b o u t1 5 v t h i st r i g g e rc a nt o u c ho f ft h e k p ( 3c t ) d i s ct r i o d et h y r i s t o re a s i l y , a n dt h e nt h ep o w e r s u p p l yw i t hh i g h v o l t a g ep u l s e sa n dh i g he l e c t r i cc u r r e n tc a nw o r ks t a b l y t h e nw eu s e da p a i ro fc a r b o ne l e c t r o d e st oc a r r yt h o u g ha ne x p e r i m e n to f t i pd i s c h a r g e a n dw es t u d i e d c h a r a c t e r i s t i co fd i s c h a r g e a n dt h e e x p e r i m e n t m a n i f e s t e dt h a tt h i si n s t a l l a t i o no f p o w e rs u p p l yi sag o o dc o n s t i t u e n to f t h ep r e p a r a t i o no ff i l mb yc a t h o d ea r cp l a s m am a t h o d w ed e s i g n e da c a t h o d ev a c u u ma r ce l e c t r o d ea n dt w o m a g n e t i cf i l t e r e dc u r v ed u c t s 0 n e i s9 0 。m a g n e t i cf i l t e n a n o t h e ri sm a d eu po ft w o9 0 。m a g n e t i cf i l t e r s t h ef o r m e rt a k e so nc o m p a r a t i v e l yh i g he f f i c i e n c y , t h el a t t e rh a sa1 0 w e f f i c i e n c yt h o u g hi t c a np r e p a r ef i l m sw h i c ha r em o r e c o m p a c ta n d u n i f o r m i t y t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h em o v e m e n to fp l a s m at h a t h a v e b e e n f i l t r a t e dt h em a c r o - p a r t i c l e sb y9 0 。s o l e n o i d t h e nw ew o r k e do u tt h e a r i t h m e t i co ft h em o v e m e n to fe l e c t r i cp a r t i c l e si nt h es o l e n o i db yu s i n g f i n i t ee l e m e n tm e t h o di n e l e c t r o m a g n e t i cn u m e r i c a lv a l u e a n a l y s i s f i n a l l y , w eu s e dc o m p u t e rm a t l a bl a n g u a g et op r o g r a m e q u a t i o n sa n d 4 7 磁过滤真空弧制各纳米薄膜装置的研究 东华大学硕士学位论文 一 i m a g e so fs o l e n o i d ，m a g n e t i cl i n ea n dm o v e m e n to fe l e c t r i cp 甜i c l e si n t h e s o l e n o i d ，a tt h es a m et i m e ，c o m p a r e dm o v e m e n t i m a g ea b o u t m a c r o - p a r t i c l e sw i t hs m a l lp a r t i c l et oe x p l a i n p r i n c i p l eo fm a g n e t i cf i l t e r w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no ft h ei n d u s t r yo fc a t h o d ea r cp 1 a s m a e s p e c i a l l ye m e r g e n c eo ft h en e ws u p e r f i c i a lt e c h n o l o g yt h a t p r e p a r e s n a n o - n a p p ef i l m sa n ds u p e r - s o l i df i l m sb yc a t h o d ea r cp l a s m a ，w i p i n g o f f l a r g ep a r t i c l e sa n di m p r o v i n gt h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo fc a t h o d e a r cp l a s m aw e r et a k e na t t e n t i o nt os om u c h t h a ti th a sb e e nt h eh o t s p o t i no u rl a b ，t h eac o m p l e t es e to f i n s t a l l a t i o nc o u l dn o t o n l yc o n t r o ls t a b l y t h ea p p e a r a n c eo fc a t h o d ea r ca n dt h et h i c k n e s so f d e p o s i tf i l m s ，b u ta l s o c o u l df i l t e re f f e c t i v e l yt h el a r g ei m p u r i t ya n dp r e p a r eh i g hq u a l i t yf i l m t h e r e f o r e ，t h i sc o m p l e t es e to fi n s t a l l a t i o nh a sw i d ei n d u s t r i a lp e r s p e c t i v e i nt h en e a rf u t u r e i na d d i t i o n ，d i a g n o s e dh o l l o wc a t h o d ep l a s m ai nd i f f e r e n tv o l t a g e o f p o w e rs u p p l y ，d i f f e r e n ta i rp r e s s u r ea n dd i f f e r e n tl o c a t i o nb ym o v e a b l e s i n g l ep r o b e ；a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo f v o l t a g eo fp o w e rs u p p l ya n da i r p r e s s u r et oh o l l o wc a t h o d ep l a s m a ；a tt h es a m et i m e ，e x p l a i n e d w h y t h e i n f l e x i o nw h i c hs h o w e dt h ep l a s m as p a c ep o t e n t i a lw a sn o to b v i o u si n t h ed a t u mo fm e a s u r e m e n t g o n gy u w u ( p l a s m ap h y s i c s ) s u p e r v i s e db ys h iy u n c h e n g k e yw o r d s ：c a t h o d e a r c ，m a g n e t i cf i l t e r , p u l s e ，s o l e n o i d 5 磁过滤真空弧制备纳米薄膜装置的研究东华大学硕士学位论文 目录 第一章阴极弧及磁过滤系统9 第一节阴极弧放电及其形态9 1 1 1 电弧历史发展9 1 1 2 弧斑的描述和阴极弧斑放电的基本特征9 第二节弧斑放电的机理分析1 1 1 2 1电子的热场致发射理论模型1 1 1 2 2电子爆裂发射模型_ 1 2 1 2 3 磁场对弧斑运动的影响一1 3 第三节真空电弧的击穿及电弧稳定性1 5 第四节磁过滤系统1 7 1 4 1 直线型结构1 7 1 4 2 曲线型结构1 8 1 4 39 0 0 弯曲磁过滤器1 8 第二章装置设计2 0 引言2 0j l 口厶u 第一节高压脉冲大电流电源的设计和搭建2 0 2 1 1 电源电路原理框图2 0 2 1 2 脉冲形成网络( p f n s ) 2 0 2 1 3 高压脉冲大电流电源2 3 2 1 4 触发发生器的设计2 6 第二节电源装置试验2 8 2 2 1 平板型晶闸管( s c r ) 的开关功能测试2 8 2 2 2 利用电源对两碳棒进行尖端弧放电2 9 第三节放电系统与磁过滤弯管装置3 1 6 磁过滤真空弧制各纳米薄膜装置的研究 东华大学硕士学位论文 2 3 1 放电系统的结构3 1 2 3 2 磁过滤弯管装置3 3 2 3 3 透明石英玻璃筒电极装置3 4 第四节真空制膜系统3 4 小结；3 7 第三章磁过滤弯管中带电粒子的数值分析与计算3 8 引言3 8 第一节电磁场的数值计算3 8 3 1 1 电磁场数值分析法的分类与比较3 8 3 1 2 有限元分析法的介绍：4 0 第二节螺线管中带电粒子的运动方法的主要算法4 1 3 2 1 螺线管空间方程的算法4 1 3 2 2 螺线管中磁力线的算法4 2 第三节计算机中模拟带电粒子的运动轨迹4 5 3 3 19 0 0 螺线管的编程方程及图象4 5 3 3 2 螺线管中磁力线的编程方程及图象4 8 3 3 3 等离子运动轨迹的编程方程及图象5 1 小结5 5 第四章空心阴极等离子体探针诊断5 6 引言5 6，i口。u u 第一节空心阴极放电及其伏安特性曲线5 6 4 1 1 空心阴极放电5 6 4 1 2 伏安特性曲线5 6 第二节移动式单探针诊断空心阴极等离子体5 8 4 2 1 电压对等离子体的影响5 9 4 2 2 气压对等离子体的影响6 0 4 2 3 不同位置等离子体的分布6 l 7 磁过滤真空弧制各纳米薄膜装置的研究 东华大学硕士学位论文 一一 4 2 4 l a n g m u i r 单探针i v 曲线拐点分析6 1 小结6 2 第五章总结6 3 参考文献6 5 攻读学位期间发表的学术论文6 8 致谢? 6 9 8 磁过滤真空弧制备纳米薄膜装置的研究东华大学硕士学位论文 第一章阴极弧及磁过滤系统 第一节阴极弧放电及其形态 1 1 1 电弧历史发展 1 8 0 8 年d a v y 和r i t t e r 历史上第一次在两个水平碳电极之间点燃了电弧并进 行了观察。由于自然对流的作用，热气体向上运动，使碳电极间的电弧向上弯曲 而成为拱形，如图1 1 所示。“拱形物”在德文中是“b o g e n ”，在英文中是“a r c ， 故把它起名为“e l e k t r i s c h e rb o g e n ”( 德文) 即“e l e c t r i c a r c ”( 英文) ，意思是电 的拱形物，这就是电弧名字的由来。 电弧 z z 乙2 了乙互z 乙 碳阳极碳阴极 图1 - 1 水平自由弧形状示意图 1 8 2 1 年d a v y 描述了磁场对电弧的作用，到十九世纪中叶，f o u c a u l t 和f i z e a u 对金属电弧、真空电弧进行了系统的光测量。十九世纪末，l u g g i n 和l e c h e r 首 先用探针测量的方法，确定了电弧电压是由阳极电位降、弧柱电压和阴极电位降 三部分所组成的。1 8 9 2 年a r o n s 第一个成功地运行了水银电极真空电弧。1 9 0 9 年s c h 6 n b e r r 最先以旋转气流稳定电弧。1 9 2 1 年b e c k 首创了大电流碳弧( 以后 把这种电弧命名为b a c k 弧) ，从而开创了电弧技术应用的可能性。到了三十年代， e l e n b a a s 发展了高压水银灯，与此同时，e l e n b a s s 和h e l l e r 发表了电弧弧柱理论， 它为弧柱物理和电弧技术的发展奠定了理论基础【1 1 。 1 1 2 弧斑的描述和阴极弧斑放电的基本特征 1 9 0 3 年s t a r k 发现了水银阴极弧在放电过程中，弧斑在水平磁场作用下的运 9 磁过滤真空弧制各纳米薄膜装置的研究东华大学硕士学位论文 动方向与带电粒子所受的安培力方向相反，并定义了阴极弧斑。虽然这种弧斑放 电现象目前已经广泛应用于多弧离子镀膜、真空弧断路开关、金属离子源和电子 源等【2 】。但是，其确切的放电机理目前仍然未能取得共识。近一世纪的研究所获 得的仅是一个个独立的模型，每二个模型只回答了问题的一个方面。虽然目前国 际上对弧斑还没有明确具体公认的定义，但由于阴极弧斑放电、真空弧、真空断 路开关、托卡马克中的单极弧、低电压强电流状态下的烧蚀、爆炸线等都具有相 似而独特的放电特性，从而归为同类【3 】。其共同的特征以阴极弧斑放电为代表： 放电集中在阴极表面出现的一个或多个运动的发光区( 即阴极弧斑) 上，弧斑局 部处于极高的沸点温度【4 1 。 目前被广泛采用的一种模型如图1 2 所示【5 ，6 ，7 1 。引燃电弧后，在阴极上迅速 产生阴极斑点，同时在斑点的近处产生由正离子堆积形成的离子云。由于离子云 距阴极表面很近，且离子云处对阴极的电位相对于整个电弧电压很高，因而，在 阴极表面形成具有拖拉效应的强电场，从阴极斑点处产生的金属蒸汽流被高速电 子流离化，维持弧光放引8 】。 距 离 电压 阳极 h t t 光子 v e 电子云 宏观 图1 - 2 电弧放电机理 关于阴极弧斑的线度、寿命和电流密度，有不同的描述方法。b j u t u e r 9 1 指 出5 0 a 的铜阴极弧斑放电时：等离子体发光区直径5 0um ，单个弧坑直径5 - - 6 1 tm ，弧坑内小凸体直径小于31 2m 。p s i e r n r o t h 1 伽用快速光测量法指出：1 0 0 2 0 0 1 tn l 弧斑发光区域实际上是由同时存在十多个2 0 pm 的弧斑( 发光区) 组成， 1 0 磁过滤真空弧制备纳米薄膜装置的研究东华大学硕士学位论文 其寿命为1 5l as 。v f p u c h k a r e v 1 1 1 实验观测了钨阴极在2 a 的临界电流时单个 弧斑形成的放电电压( 3 6v ) 的波动过程，直接测定了w 阴极弧坑直径( 5pm ) 和微凸体的线度( 11 tm ) 和寿命( 3 5n s ) ，并推导出了阴极表面局部的电流密度 为1 0 1 2 a m 2 。这样，靠微凸体的线度估计阴极表面局部电流密度可达1 0 1 0 1 0 1 3 i n 2 ，而靠所谓正柱区等离子体的线度来估计电流密度为1 0 7 - - 1 0 1 0 a m 2 。 总结阴极弧斑放电的主要特征为： 放电电压低( 十几至几十伏) ，电流大( 几安培至上千安培) ，电流随电压 的增大而迅速增大，是一种弧光放电； 电流集中在很小的过动的区域( 即弧斑) 上，阴极表面局部电流密度超过 1 0 1 0 a m 2 ( 对于钨，电子发射的电流密度最大可达1 0 1 3 a m 2 ) ，在所有的放电形 式中是最高的，其电子发射机理为热场致发射； 阴极材料在弧斑处被气化烧蚀，阴极弧斑放电的介质为阴极蒸气( 金属原 子的电离能较低) 及其它低压气体，真空弧放电介质为阴极蒸气，阴极材料离子 以极高动能垂直喷离阴极靶面( 1 - 4 倍于极间电位能) ； 弧斑形成于弧坑边缘的微凸体处，微凸体爆裂形成新的弧坑和微凸体，并 产生高速蒸气流，发出强光，这就是观察到的弧斑。相邻弧斑的次第燃起和熄灭 构成了弧斑的运动。弧斑在磁场中的运动更不可思议【1 2 1 ：弧斑在没有磁场条件 下在阴极表面作随机运动；在垂直于阴极表面的磁场下，弧斑随机运动速度加快； 弧斑在平行于阴极表面的磁场下，沿洛仑兹力的反方向运动，而且磁场越强速度 越大，气压越高速度越小，最后随着气压的增大弧斑运动速度减慢为零，如果继 续增大气压，弧斑将沿安培力方向运动【1 3 】；如果磁场与阴极表面夹有锐角时， 除了“退着走”外，弧斑还沿磁场投影方向运动。 第二节弧斑放电的机理分析 1 2 1 电子的热场致发射理论模型 历史上发现弧斑在磁场中“退着走”特性后，首先注意到的是阴极弧斑处的 iiiiiiilliiii 磁过滤真空弧制备纳米薄膜装置的研究 东华大学硕士学位论文 电流密度。由于观察到弧斑处的局部高温，而r i c h a r d s o n 和d u s h m a n 的针对平 面阴极的电子静态热发射理论 _ ，= a t 2e x p ( - 妒i k t )( 1 1 ) 式中a = 4 e i i l l a h 3 = 1 2 1 0 6 a m 2 k 2 为常数，t 为温度，为功函数，k 为玻耳 兹曼常数。该发射理论所能提供的沸腾态极限电流密度比阴极弧斑放电时观测到 的电流密度要小几个量级。因此，w w d o l a n 和w p d y k e 1 钔、t h l e e t l 5 1 等 科学家认为弧斑放电电流密度是热和场共同作用的结果，即为热场致发射理论。 并引入式中a ( t ，) = l n 1 + e x p ( - k t ) ，为电子供应源函数；d 口，) = e x p 一6 8 5 1 0 7 ( 中一) 7 ( y ) f ，为电子贯穿系数；f ( y ) 为椭圆函数、为电子功函数、 为电子能量与费米能级之差、c 为常数，t 为温度、f 为电场强度。而且上述 方程，当： a ( t ，) 远大于d ( f ，) 时，变为场致发射的f o w l e r - n o r d h e i m 方 程； a ( t ，) 远小于d ( f ，e ) 时，变为热发射的r i c h a r d s o n - d u s h m a n 方程； a ( t ，e ) 和d ( f ，e ) 大小可以相比较时，为热场致发射。 热场致发射理论揭示了：如果阴极表面存在大于1 0 9 v m 的强场时，高温阴 极可以发射足够高的电流密度。对于真空弧和冷阴极弧斑放电，按照【1 5 】的结果， 上述热场致发射理论与包含s c h o t t k y 的镜像力理论在内的电子热发射理论 ( 式中 削* 厝洲 ( 1 2 ) 为电场e 引起的功函数降低值) 二者相比，在1 0 9 v m 的电场下， 前者的电流密度比后者的高出一个量级。 1 2 2 电子爆裂发射模型 随着实验技术的进步，m e s y a t s 于1 9 6 6 年首次观察到了真空弧和阴极弧斑放 电实际上是阴极表面发生的一个个断续的瞬态爆裂的过程。 1 2 磁过滤真空弧制备纳米薄膜装置的研究东华大学硕士学位论文 早先w p d y k e 0 6 实验测定了w 阴极场发射器转变为烧蚀时的瞬时电流密 度：1 0 1 3 a m 2 ，但没有引起足够的重视。v e p u c h k a r e v 】实验观察了w 阴极在 临界电流时单个弧斑形成的电压波动过程，直接测定了阴极弧坑的线度和微凸体 线度和寿命，并再次推测了阴极局部电流密度：1 0 1 2 1 0 1 3 a m 2 ，揭示了阴极弧 斑与场发射器的一致性。g n f u r s e y 1 7 1 、e a l i t v i n o v 1 8 1 发表了电子爆裂模型：阴 极表面弧坑边缘微凸体处极高的电流密度产生的焦耳热使微凸体迅速( 1 0 8 1 0 拶s ) 温升并沸腾，而微凸体表面几个原子厚的薄层由于电子发射的降温作用未 能气化，内外压力差产生了爆炸过程，其爆裂的结果是形成了新的弧坑和微凸体， 并喷发了高速蒸气流( 对于w 阴极，蒸气流为1 0 3 1 0 4 1 t i s ) 和液滴。阴极材料 蒸气流被电离后仍然飞离阴极，离子速度角分布为近高斯分布或近余弦分布。而 液滴的运动方向和阴极表面夹角为2 0 - 3 0 。【1 9 】，这主要因为一方面液体的粘滞 阻力使液滴主要沿着弧坑的内表面运动( 尤其体积较大的液滴) ，另一方面电子 流对液滴的微化和电离又使垂直于阴极表面方向的液滴减少。 1 2 3 磁场对弧斑运动的影响 在分析了阴极电位降区的电位、电场等性质后，根据电子的热发射、电子的 熟场致发射和磁场中电子的漂移特性，可给出磁场影响弧斑的运动的机理和过程： 爆裂发生后，弧坑内表面的温度为沸点，电场随高度的降低逐步变弱；若存在磁场， 则热发射( 或热场致发射) 的电子层在电磁场作用下要产生漂移运动，称之为电 子漂移层。由上述m a c k e o w n 公式知：由于电子漂移层将影响各个微凸体表面附 近的电场强度的分布，从而也影响电子的热场致发射，进一步影响电流的欧姆热 和新弧斑的爆裂形成( 也即弧斑的运动) 。下面就3 种磁场位形分别进行讨论。 如果磁力线方向垂直于阴极表面，电子漂移层会淹没较低的微凸体，抑制 其电子的热场致发射；另一方面，与弧坑相衔接的微凸体表面处温度较高，那里 的热场致发射的电子在电磁场中产生沿微凸体表面的漂移。这样，与弧坑衔接处 的微凸体表面的热场致发射得到了加强，加快了爆裂的发生。这就是在垂直于阴 极表面的磁场作用下弧斑的随机速度加快( 同时产生的液滴减少) ，如图1 3 所 示。 磁过滤真空弧制备纳米薄膜装置的研究 东华大学硕士学位论文 y o x 图1 3 垂直于阴极表面的磁场对弧斑运动的影响 磁力线方向垂直于阴极表面时，较高微凸体侧面发射的电子漂移层会淹没较 低的微凸体，抑制后者的电子热场致发射，另一方面，较高的微凸体与弧坑衔接 侧面( 温度较高) 处的热场致发射得到增强，使之更迅速地产生爆裂。磁场的参 与使得最高的微凸体的电子热场致发射越强。从而加速了最高的微凸体处新弧斑 的形成过程。亦即垂直于阴极表面的磁场使弧斑随机运动的速度加快。 如果电子漂移层在平行于阴极平面的磁场作用下沿安培力方向漂移，使 得“前”方向微凸体附近电子密度较高，电场减弱，阻碍“前 方向的微凸体的 电子热场致发射，从而阻碍“前 方向欧姆加热和新弧斑的形成；同时，“后退 方向的微凸体的电子热场致发射受到了增强，加速了新弧斑的形成。这就是我们 观察到的在平行于阴极表面的磁场中，安培力使弧斑作后退方向的运动，如图 1 - 4 所示。 z 0 图1 - 4 平行于阴极表面的磁场对弧斑运动的影响 电子热发射产生的电子层在电磁场中沿弧坑表面向x 正方向漂移至右侧微 1 4 磁过滤真空弧制备纳米薄膜装置的研究东华大学硕士学位论文 凸体，减弱了那里的电场强度，阻碍右侧微凸体表面电子的热场致发射，阻碍了 x 正方向微凸体的电流的欧姆热和新弧斑的爆裂形成。与此同时，电子漂移层使 x 负方向的左侧微凸体处电场强度增强，容易形成新的弧斑。这就是在垂直与阴 极表面的磁场作用下，弧斑沿安培力的反方向运动。 如果磁场与阴极表面微微有小夹角，则除了上述的弧斑沿后退方向运动 外，还沿磁场的投影方向运动( 我们利用这一性质可以约束弧斑在阴极表面的运 动烧蚀范围) 。这是因为在弧坑内电子漂移层的漂移速度5 怛b ) b 2 沿磁场 方向的分布并不均匀。如图1 5 所示。 图1 5 与阴极表面有锐角的磁场对弧斑运动的影响 除了图1 4 中所示的电子漂移层向x 正方向漂移外，电子漂移层在y 方向 的分布也不均匀。由于= b ) b 2 ，负y 方向的漂移速度大于正y 方向的 漂移速度。负y 方向的电场强度得到了增强，负y 方向比正y 方向容易形成新 的弧斑。所以弧斑除了沿安培力的反方向( 即负x 方向) 运动外，还沿负y 方 向运动【4 】。 第三节真空电弧的击穿及电弧稳定性乜 影响真空间隙击穿及其电弧稳定性的因素很多，如电极结构、电极间的间隙、 1 5 磁过滤真空弧制各纳米薄膜装置的研究东华大学硕士学位论文 电极材料、电极的表面状态、所加电压的波形以及残余气体的种类和残余气体的 压力等乜。当在两个电极之间施加一个电场后，受到电场加速的自由电子高速撞 击中性原子和分子，并使后者产生电离。当这些被电离的自由电子的能量超过一 个阈值时，就能电离更多的中性粒子。这种类似雪崩现象的电离过程使气体介质 中出现大量的自由电子，从而使气体成为导电介质。当两电极之间的间隙被击穿 形成火花时，就能在2 个主电极间形成导电通道，并开始输入能量，电流以迅速 上升。电流上升的速度一般取决于外部电路的参数，如外部电压、电流等。由于 击穿真空间隙使气体导电主要靠激发二次电子，如沉积腔处于一个真空状态下， 特别是处于高真空状态下，阴阳二电极之间的气体含量就很小，如触发电极与阴 极之间的距离过小，小于气体分子的平均自由程时，很难击穿此真空间隙。一般 而言，在同样的条件下，沉积腔的真空度越高，触发电极间的间隙也应该相应增 大。触发电极的设置也可根据不同的条件而采取不同的方式硷幻，如悬空阴极、悬 空阳极或悬空阴阳极等。 真空间隙起弧后，等离子充满了两主点极间的间隙，电极间产生辉光放电并 很快产生大电流。在这同时，阴极表面产生阴极斑点，这些阴极斑点是随机在阴 极表面上高速运动的，它们在一个斑点消失的同时又有新的斑点形成而维持了电 弧的稳定性。同时金属蒸汽高速喷向阴极，这些喷向阴极的金属蒸气是真空电弧 的主要来源。 j d c o b i n ea n dg a f a r r a l l 对不同材料、不同气体压力对电弧稳定性的关系作 了大量的研究乜。过增元认为要使电弧能稳定工作( 即获得稳定的工作点) ，则 要求在工作点处施加于电弧上的伏安特性的下降陡度应大于电弧伏安特性的下 降陡度，即应位于图3 中的l 、2 两点之间。因为在未达到电弧临界长度之前，电 流与电压之间的关系决定于直线砜一球= 厂( d 。达到临界点( i 。，) 所需的时间 与拉长电弧的速度有关，利用电弧静态伏安特性的表达式v o = e 1 = c i 却1 ( 式中 c 和n 为常数) 。而在电弧稳定时，玑= u 。+ i r 。 求解上述二式可得到电弧长度的表达式： k 等( 卜篑) 亿3 ， cl u j 1 6 磁过滤真空弧制各纳米薄膜装置的研究东华大学硕士学位论文 并进一步可得到临界电流( 0 ) 的表达式及临界电弧的弧长长度( 0 ) ， 第四节磁过滤系统 。= 警( 斋) 。= 器南 ( 1 4 ) ( 1 5 ) 随着阴极弧等离子体工业应用的日益广泛，特别是阴极弧等离子体制备纳米 叠层膜和超硬膜等新一代表面技术的出现，消除大颗粒和提高阴极弧等离子体传 输效率研究工作受到普遍重视，成为研究的热点。针对消除大颗粒有较多的研究 工作。消除大颗粒的措施主要分为两类：磁场控制弧斑法；过滤法。第一类 方法试图从起源上消除大颗粒，但效果较差口钔。过滤法包括直管过滤、弯管过滤、 方桶过滤、视线遮挡过滤、百叶窗过滤、旋转叶片过滤等等心4 2 引。 1 4 1 直线型结构 直线型结构为日本人k a k a r i 等【2 6 3 0 】所采用，宏观粒子团( m p ，s ) 的数量随 着磁场的增大而快速减小，其机理是： ( 1 ) 在阴极前加入的磁场，起到离子流的导向作用，相对减小了宏观粒子团 的比例；( 2 ) 在磁场的约束下，等离子体内部的碰撞作用加强，中性粒子进一步 转变为离子，使得宏观粒子团减少；( 3 ) 由于宏观粒子团相对于阴极表面发射的 角度较小，弧管道起到机械挡板的作用；( 4 ) 在磁场的作用下，加快了阴极斑点 在阴极表面的运动速度，减小了阴极斑点尺寸，减少了宏观粒子团。 后来有人在结构上作了改进【2 8 q 0 】，其特点是在线圈内部加了一个厚薄不等， 并带有漏磁缺口的软磁芯，改善了磁场的磁力线分面结构，调节了磁场对阴极靶 材的磁场强度，增加了电弧燃烧的稳定性。直线型结构的优点是：与传统阴极弧 离子镀方法相比，膜的沉积速率基本保持不变，克服了其他方法带来的效率大大 1 7 磁过滤真空弧制各纳米薄膜装置的研究东华大学硕士学位论文 降低的问题。该种方法可以使n i p s 减小到原来f 约1 0 左右【2 6 】。 1 4 2 曲线型结构 巧妙的利用磁场，改变等离子体的经过的轨迹，可以起到很好地过滤m p s 的作用。 曲线型结构在方法虽然形式不同，但其基本思路都是相同的。即离子在磁场 中的运动与磁力线平行，则不会受到磁力和磁力线相交则运动方向要改变。而综 合作用的结果是，等离子体沿着磁场磁力线的方向运动( 当然等离子体的运动轨 迹也受到电场的作用。事实上等离子体的运动轨迹是电场，磁场综合作用的结果。 但当磁场强度足够大时，磁场可以起主导作用) 。 迄今为止，磁过滤弯管是广泛采用的简单而较有效的滤除大颗粒方法，并有 较大的等离子体输出量。 众所周知，磁场可以用来约束和控制等离子体。当磁场强度达到一定的数值 时，等离子体将