（电气工程专业论文）真空电弧过滤沉积技术的理论和实验研究.pdf

华中理工大学博士学位论文 内容摘要 真空电弧沉积薄膜是近年来发展起来的高技术薄膜制备方式之一，但由 于宏观颗粒的存在，限制了它向更广泛应用领域的发展。针对这种现状，本 文以宏观颗粒为对象，对宏观颗粒的产生、输运、抑制办法等方面，从理论 和实验上进行了研究。 ， ( 本文总共由四部分组成：第一部分侧重于理论分析，第二部分着重于实 验研究。第三部分建立了计算铜铬类触头材料电导率的三维单元网络模型， 第四部分是全文总结。 第一部分包括第一章至第六章。第一章绪论比较了各种沉积工艺的优 劣，总结了现有真空电弧沉积薄膜研究的成果，提出了利用真空电弧过滤技 术沉积纯净非晶硅薄膜的设想和可行性。第二章论述了真空电弧的物理机 制，包括真空电弧与高气压电弧的区别、阴极斑点的运动和分裂、等离子体 及宏观颗粒的发射等。最后，从力学角度出发，将单个阴极斑点看成一个达 到动态平衡的质点，提出了阴极斑点运动模型，分析了阴极斑点发生正反向 运动的原因，并试用该模型解释了许多实验中所观测到的现象。第三章系统 地介绍了真空电弧过滤沉积装置各部分的组成及结构。包括弧源、电气系统、 过滤系统、等离子参数测量系统等。第四章详细介绍了真空电弧过滤沉积装 置控制磁场的设计及计算方法。第五章以钛真空电弧为例，建立了宏观颗粒 在飞行过程中的动力学方程，研究了宏观颗粒的温度、速度、体积等参数的 变化。计算结果表明，粒子初始温度、半径不同，粒子参数随飞行距离的变 化不同。粒子初始温度和半径越大，保持液态飞行的距离越大。第六章分别 运用动力学方程和蒙特卡罗模拟方法研究了1 4 环管的过滤效率与环境气 压、外加磁场、环管偏压之间的关系。提出了提高1 4 环管过滤效率的一些 措施。 华中理工大学博士学位论文 第二部分由第七章至第八章组成。第七章首先分析了朗谬尔( l a n g m u i r ) 探针用于真空电弧镀膜( v a d ) 澳i j 量的可行性，介绍了我们使用l a n g m u i r 探针 诊断系统和一些初步实验结果。另外，在第七章中还介绍了法拉第杯等离子 体诊断的工作原理，设计了微机化的法拉第杯等离子体诊断系统。在该系统 中，计算机代替了人的测试及其复杂运算，因而简化了操作并大大加快了诊 断速度。第八章利用扫描透镜等手段对不同工艺条件下( v a d 和f v a d ) 制 备的薄膜进行了表面形貌分析。在本章的末尾，结合等离子体诊断结果，分 析了等离子体微观参数对膜层特性的影响。 第三部分即第九章。从c u c r 合金导电特性的唯象过程出发，建立了计算 假合金触头材料导电特性的三维单元网络模型。应用此模型分别计算了组份 含量、孔隙等参数对材料电导率的影响 、 第四部分即第十章，是全文的总结，提出了后续研究的努力方向。土 ，) 关键词：真空电弧过滤沉积反向运动薄膜沉积1 4 环管宏观颗粒 华中理工大学博士学位论文 a b s t r a c t v a c u u ma r cd e p o s i t i o nc v a d ) h a sb e e nd e v e l o p e d a sa c o m p e t i t i v e d e p o s i t i o nt e c h n i q u es i n c e1 9 8 0 s b e c a u s eo f t h ea p p e a r a n c eo fm a c r o p a r t i c l e s ， i t se x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni sl i m i t e di ns o m ef i e l d s t h ed i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt o t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d y o i lm a c r o p a r t i c l e ( m p ) ，s u c ha sm a c r o p a r t i c l e s g e n e r a t i o n 、t r a n s p o r t a t i o n 、r e s t r a i n tm e t h o d a n de t c t h ed i s s e r t a t i o nc o n s i s t s o ff o u r p a r t s t h e f i r s t p a r t c o n c e n t r a t e so n t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h es e c o n dp a r tm a j o r si ne x p e r i m e n t a la n a l y s i s ，t h et l l i r dp a r t s e t sa3 - du n i tn e tm o d e lo nt h ec o n d u c t i v i t yo fc u c rc o n t a c tm a t e r i a l s ，a n dt h e l a s t p a r ts u m m a r i z e s t h er e s u l t so b t a i n e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h ef i r s tp a r tc o n s i s t so f c h a p t e r1 t o6 i nc h a p t e r1 ，t h ed i s t i n c t i o n sa m o n g c u r r e n td e p o s i t i o nt e c h n o l o g i e sa r ec o m p a r e d a tt h ee n do fc h a p t e ri ，s o m e i m a g i n a t i o n a n df e a s i b i l i t y u s i n g f i l t e r e dv a c u u l na r cd e p o s i t i o n ( f v a d ) t o p r e p a r ep u r ea m o r p h o u ss i l i c o nf i l ma r cp u tf o r w a r d i nc h a p t e r2 ，t h ep h y s i c a l m e c h a n i s mo fv a c u u ma r ci sd i s c u s s e d ，i n c l u d i n gt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nv a c u u m a r ca n da t m o s p h e r ea r c 、t h em o t i o no fc a t h o d es p o t 、t h ec r a c k i n go fc a t h o d e s p o t 、t h ep r o j e c t i o n o fp l a s m aa n dm a c r o p a r t i c l e b a s e do nt h ep h e n o m e n a l p r o c e s s ，w ec o n s i d e rt h ec a t h o d es p o ta sa n 奶删c e q u i l i b r i u mm a t e r i a lp o i n t a n ds e tac a t h o d es p o tm o d e l ，b yw h i c ht h er e t r o g r a d em o t i o no fc a t h o d es p o ti s e x p l a i n e d i nc h a p t e r 3 t h es t r u c t u r eo ff i l t e r e dv a c u u ma r cd e p o s i t i o na p p a r a t u s i si n t r o d u c e di nd e t a i l ，e g ，i o ns o u r c e 、e l e c t r i cp o w e rs y s t e m 、f i l t e r e ds y s t e m 、 p l a s m ap a r a m e t e r sd i a g n o s i ss y s t e m a n de t c i n c h a p t e r 4 ，t h ed e s i g na n d c o m p u t a t i o na b o u tm a g n e t i cf i e l du s e do nf v a d a p p a r a t u sa r ed e s c r i b e d i n c h a p t e r5 t a k i n gt h et i t a n i u mv a c u u m a r ca sas a m p l e ，ad y n a m i cm o d e lw a s p r e s e n tt os t u d y t h ep e r f o r m a n c e so f m a c r o p a r t i c l e s ，s u c ha st e m p e r a t u r e ，v e l o c i t y a n dv o l u m e t h er e s u l t ss h o wt h a t ，i ft h ei n i t i a lo p t i o n sa r ed i f f e r e n t ，t h e p a r a m e t e r sa r ed i f f e r e n t t h eh i g h e rt h et e m p e r a t u r ea n dt h el a r g e r t h en i p s s 华中理3 - 大学博士学位论文 r a d i u s ，t h el o n g e rd i s t a n c et h e yc a nr e m a i ni nl i q u i d i nc h a p t e r6 ，b ym e a n so f m o m ec a r l ot e c h n i q u ea n dd y n a m i ce q u a t i o n s ，t h ep l a s m at r a n s p o r te f f i c i e n c y t h r o u g ha9 0 。m a g n e t i cf i l t e rd e p e n d s o n p r e s s u r ep 、m a g n e t i c f i e l dba n db i a s p o t e u t i a l 6 。w e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，m eh i 曲t r a n s p o r te f f i c i e n c y t h r o u g h t h ef i l t e ri sp o s s i b l eb yu s i n gm o d e r a t eg u i d i n gm a g n e t i cf i e l da n db i a s p o t e n t i a l t h es e c o n d p a r tc o n s i s t so fc h a p t e r 7t o8 i nc h a p t e r7 ，t h ep r o b a b i l i t yu s i n g l a n g m u i rp r o b e a sat o o lf o rp l a s m a d i a g n o s i s i nv a di sd i s c u s s e d t h e n ，a p r o b e s y s t e mw a s s e tu p t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a l st h a tl a n g m u i rp r o b ec a nb e u s e di nv a d p r o c e s s e s i nc h a p t e r7 ，an e wf a r a d a yc u pd i a g n o s e ss y s t e m i sa l s o d e s i g n e d i nt h i ss y s t e m ，t h ec o m p u t e rc o n t r o l st h ew h o l ew o r k ，s oah i g hs p e e d d i a g n o s e sf o ri o ne n e r g yd i s t r i b u t i o nw a sg a i n e d i nc h a p t e r8 ，t h es t r u c t u r ea n d s u r f a c et o p o g r a p h yo ff i l md e p o s i t e di nf v a da r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so f s w e e pe l e c t r o nm i c r o s c o p y t h e n ，t h ep h y s i c a lm e c h a n i s mt h a tm i c r op l a s m a p a r a m e t e r sa f f e c tf i l mq u a l i t y i sa n a l y z e d t h et h i r dp a r ti sc h a p t e r9 i nt h i sc h a p t e r ，a3 - du n i tn e tm o d e li sp u t f o r w a r d b y t h i sm o d e l ，t h ei n f l u e n c eo ft h er a t i oo fc o m p o n e n t sa n di t sd e n s i t y u p o n t h ec o n d u c t i v i t yi ss t u d i e d t h ef o n hp a r ti sc h a p t e r1 0 i nt h i sc h a p t e r ，t h ew h o l ec o n c l u s i o n si nt h e d i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e d f i n a l l y ，s o m ed i r e c t i o n st oc o n t i n u es t u d ya r e p o i n t e d o u t k e y w o r d s ：f i l t e r e dv a c u u ma r cd e p o s i t i o n ( f v a d ) f i l m d e p o s i t i o n 1 4t o m s r e t r o g r a d em o t i o n m a c r o p a r t i c l e 华中理工大学博士学位论文 第一章绪论 摘要：本章首先简要地介绍了课题研究的背景，然后通过与其它几 种物理化学气相沉积方法的比较，分析了v a d 技术的优劣，阐明了 f v a d 技术的原理。在本章最后部分，介绍了全文的主要内容和章节 安排。 1 1 课题的背景 利用太阳能是解决当今世晃能源危机的重要措施之一。到目前为止，最 有竞争力的应用是用非晶硅( a m o r p h o u ss i l l i c o n ，简写为a s i ) 薄膜来制作 的太阳能电池。因此提高n s i 薄膜的制备效率和品质成为各国在薄膜领域 科学家的主攻方向。目前，a s i 薄膜的主要制作方法是用辉光放电处理硅 烷( s i h 4 ) 气体，在基片上生成薄膜，称作等离子体增强化学气相沉积( p l a s m a e n c h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，p e c v d ) 。这种方法面临两个难以解 决的问题，一是成膜效率低，成本高，二是所用的硅烷为易燃易爆气体，危 及人身与设备的安全。在1 9 9 4 年第1 6 届国际真空放电会议上，有人提出用真 空电弧沉积n s i 薄膜的方法”，并给出了初步研究的结果。使用真空电弧技 术沉积a s i 薄膜，可以得到比p e c v d 法高的膜层参数和光转化效率”1 ， 其原料可以用一般掺杂的硅材。在另一方面，由于电弧直接蒸发弧源材料， 电离度和离子能量均较高，可以得到很高的沉积效率( 1 0a s 以上) 。 真空电弧沉积薄膜( v a c u u m a r c d e p o s i t i o n ，v a d ) 是近年发展起来的物 理气相沉积( p h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，p v d ) 技术之一，沉积率和离子能量都 很高，工艺成本低，适于大规模生产。真空电弧的弱点是其输出等离子体中 含有大量宏观颗粒( m a c r o - p a r t i c l e s ，m p ) ，而沉积s i 薄膜要求极纯净的等 离子体气氛，不容许有宏观颗粒的存在。因此，如何抑制宏观颗粒的产生便 成为v a d 技术中的一个关键问题。在这方面目前国外已有成功的偿试”， 用过滤的方法或阳极电弧等方式，可以得到相当纯净的离子流。 在真空电弧沉积薄膜方面，国内已有少数单位进行相关的理论与应用研 华中理5 - 大学博士学位论文 究，并建起一批沉积氮化钛等材料作装饰镀和工具镀的装置，但尚未发现有 利用真空电弧的优势进行半导体薄膜沉积的研究。作为本工作的预研项目， 本单位建立了典型的真空电弧沉积实验系统。在电弧工艺参数的控制、宏观 颗粒的抑制和镀膜系统的数学模拟等方面都取得了较大的进展”“1。在 a - s i 薄膜的制作和应用方面，我校固电系进行了较长时间的研究，并在应用 方面取得了较大进展，如用p e c v d 法研究了非晶硅基叠层太阳能电池”“，利 用适当的带隙匹配和层厚度匹配来实现三结太阳能电池结构的最佳化，在 a m i 光照下转换效率达到11 5 。现在，结合真空电弧沉积薄膜的优势，可 望得到突破性的进展。本工作属电工学科、等离子体学科与材料学科等的交 叉研究，其成果可以直接转化为生产力，在太阳能和其他领域有极好的应用 前景，成果的推广应用可望得到巨大的经济效益。 1 2v a d 技术概述 1 2 1v a d 技术发展简介 十九世纪初，爱迪生( t h o m a se d i s o n ) 提出了利用真空电弧镀膜的设想 ”1 。但由于当时真空技术和材料科学的限制，他的这一想法没有得n - r , 业 应用。到本世纪5 0 年代，b v o d r a ，h w o r e 等人在真空冶炼过程中发现，真 空电弧完全可以用于表面沉积。于是，这一发现立即得到人们的关注， v a d 技术开始得到广泛研究和应用。 6 0 年代，日本东京技术研究所( t o k y oi s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 为v a d 的推广作了大量早期研究工作”。k i k u e h i 、n a g a k u r a 、n a o e 、y a m a n a k a 等人用交流真空电弧沉积金属膜，得到o 1 t 上r n s 的沉积速度，发现成膜微观 形态与成膜温度有十分密切的关系：低温时得到的是非晶膜，高温时得到的 膜具有晶体结构。在研究基体的影响时，他们发现钼( m o ) 能在碳基材上形 成合金，他们还利用磁场准直等离子体方法来提高沉积速度。 7 0 年代，前苏联和美国着眼于工业应用，对v a d 技术进行了更大规模的 研究。研究的重点主要集中在以下两个方面：【8 1 9 j ( 1 1 阴极斑点的控制。 华中理工大学博士学位论文 ( 2 ) 减少宏观颗粒( m a c r o p a n i t i e ，m p ) 对膜层的污染。 到8 0 年代，在大量基础研究的基础上，v a d 技术已经发展成为一支具有 相当市场潜力的产业力量。主要有：t i n 、t i c 装饰镀膜，a 1 2 0 3 等保护性薄膜 【2 0 _ 2 l 】 除了传统的研究内容外，8 0 年代v a d 的主要研究内容为： ( 1 ) 新材料的开发。 ( 2 ) 工艺参数的控制与优化。 ( 3 ) 镀膜过程中的电弧现象及成膜机理。 作为工业产品，v a d 技术在8 0 年代被引入我国，经过短短几年的吸收 改造与发展，在装饰镀和刀具镀方面得到成功的应用。一些部门也开始了 v a d 技术的基础理论研究，并为进一步的发展和更广泛的应用开始了预研工 作 2 2 2 6 1 。 n 9 0 年代，v a d 技术得到了长足的发展。目前，国际上主要集中于超精 细膜的研究2 7 。3 ”。v a d 的主要研究内容为： ( 1 ) 新型功能性薄膜材料的制备和开发。 ( 2 ) 减少宏观颗粒( m p ) 对膜层污染的方法。 ( 3 ) 真空镀膜微观参数测量方法与手段的研究。 ( 4 ) 工艺参数的控制与优化。 进入九十年代以来，v a d 在一些传统的应用领域如刀具、耐磨腐蚀 件、仿金日用品等方面的应用日益广泛，现代v a d 技术已经成功地用于沉积 各种氮化物膜、碳化物膜、氧化物膜、合金膜等2 2 五6 ，3 1 。随着v a d 研究的 深入，各种精细光学膜也可以利用v a d 技术来得到。如金刚石薄膜、非晶硅 膜等m 3 0 3 4 】。 类金剐石( d i a m o n d l i k ec a r b o n ，d l c ) 薄膜、非晶硅膜n s i 膜都属于 单质膜。类金刚石薄膜有许多优越的性质，除了化学惰性外，它还具有很好 的电学、光学和机械性能，如电阻率高、硬度大、附着力强、对可见光、紫 外光及红外光的透射性好等。类金刚石薄膜以其优异的特性越来越受到人们 的重视。早期制备方法主要以物理化学气相沉积( 气体辉光放电、微波放电) 为主。在沉积类金刚石薄膜中，一般混合气体为c h 4 和h 2 。许多实验表明， 华中理工大学博士学位论文 含碳物源相对于氢气的浓度比对金刚石的结构和形貌的影响是直接的。从许 多报道看，当c h 4 h 2 3 时，金刚石膜为菜花状，没有好的晶形”1 。当 c i - h h 2 比例适当时，金刚石膜的晶形较好。 b o x m a n 等人曾以石墨为阴极，工件材料钼( m o ) 为阳极，尝试用脉冲 真空电弧沉积d l c 膜。由于阴极中心出现熔化，他们得到的是努氏硬度为6 7 m p a 的冶金生成物m 0 2 c ”1 。他们的研究为人们提供了一种制备薄膜的新 途径3 ”。 k o s k i n e n 、a k s e n o v 等人用流行的l ，4 环形线圈过滤m p “1 ，成功地沉积 了d l c 膜。实验发现，所得d l c 膜层硬度最好可达4 0 g p a ，电阻率高于1 09 q ， 密度在3 9 c m 3 以上。这与天然金刚石的特性非常接近。在大量的实验中，他 们发现随工艺参数的不同，膜层中s p 3 、s p 2 、s p 键均可能出现。当m p 颗粒存 在时，d l c 膜中存在许多微孔，s p 3 的密度较大，d l c 膜的耐蚀力降低。a z e v e d o ”等还根据物理化学气相沉积( p c v d ) 的经验引入氢气来消除s p 2 键。 他发现，膜层结构的均匀性和膜基的结合力随工艺参数的改变而有较大的变 化，金刚石、石墨、不定形碳均可能出现。在定条件下，膜层的性质具有 较好的重复性。可以预计，随着工艺和理论的完善，v a d 有希望为工业生产 提供低成本的d l c 膜。 非晶硅( a s i ) 在微电子、光电子及太阳能等方面用途极广。到目前为止， 最有竞争力的太阳能应用是用非晶硅a s i 薄膜来制作太阳能电池。这是因 为，非晶硅n s i 薄膜中存在许多中间能级，有利于吸收各种波长的可见光， 将光能转化为电能。沉积非晶硅膜的传统方法是p e c v d 方法。但是成本高。 膜层生长慢，而且所使用的硅烷气体具有一定的危险性。n a o e 曾用v a d 方法 沉积非晶硅膜，但所沉积的薄膜呈多晶态，且含有较多的m p 。近年来，b o x m a n 等人用v a d 方法沉积非晶硅膜, 4 4 - 4 6 , 成本低，得到了较高的沉积效率。通 过1 ，4 环管过滤装置，m p 的数目大大减少了，已经能满足一定的使用要求。 1 2 2v a d 技术的原理 图1 1 为一般v a d 技术装置的原理图。接地的真空室外壳作为阳极，在其 顶部和侧壁布置了一个阴极和点火针。用机械接触或高压点火的方法在阴极 和阳极间触发真空电弧。阴极材料在电弧烧蚀下蒸发、电离，并飞离阴极区， 华中理工大学博士学位论文 最后沉积到基片上。基片上加有负偏压，大小可调，用来控制镀料离子的能 量。基片下用石墨来加热，可以控制基片的温度。在需要进行表面等离子化 学反应的场合，可由针阀注入反应气体。 图l - 1 v a d 装置的原理图 与其它流行的p v d 技术相比，v a d 技术有其特有的性质和特点 4 7 勋1 。 它的优点主要表现在： 1 在v a d 中，阴极斑点是提供等离子体的唯一源泉，因而v a d 技术的 沉积气氛十分干净。气相沉积可以在高真空度下进行，以保证膜层的 纯度。 2 在v a d 中，真空电弧的蒸发和电离都集中在阴极斑点区域内进行， 通过有效的水冷，可以使阴极的温度小于1 0 0 。所以在v a d 技术 中，阴极的安装方位不受限制。可以安置多个阴极源以保证膜层的均 匀性，并得到更大的沉积效率。 3 阴极斑点的运动速度和轨迹可以用磁场来加以控制，利于提高靶材的 利用率。 4 真空电弧等离子体的电离度很高，容易用磁场来控制沉积气氛，增强 等离子体化学反应及成膜质量。 5 在v a d 技术中，离子的平均电量很高，因而v a d 等离子体具有很大 的化学活性，容易使工作气体和反应气体产生激发和电离。等离子体 作用于工件表面，产生溅射、轰击、迁徙、注入及沉积等多种效应， 使所沉积的膜层更致密，附着性更好。 华中理_ t - 大学博士学位论文 6 真空电弧的电流与电弧电压成正比。而离子电流的大小又与电弧电流 成正比。因而可以通过调节弧压来调节离子电流，控制成膜速度。 同时，v a d 技术也存在一些不足。主要有： 1 在高真空下，电弧起弧较难，造成工艺上的不便。 2 阴极射流等离子体中除了离子、电子和少量的中性金属蒸汽粒子外， 还有一定数量的宏观颗粒( m p ) 。这些宏观颗粒的大小一般在几十微 米以下。宏观颗粒的存在严重影响了成膜质量，限制了v a d 技术的 大规模推广和向精细薄膜领域的应用。 3 靶材的消耗区域不均匀，致使其利用率不高。 总之，v a d 技术利用真空电弧作为蒸发源和离化源，其所有的特点都与 真空电弧的特性有关。只有充分利用其长处，去其不足，才能更好地发挥v a d 技术的优势。 1 3f v n d 删j 原理 等寓早位l 万一基片 等离子体，j 囹总盈板 图1 - 2 根据宏观颗粒和等离子体具有不同的空间分布而将二者分开 华中理工大学博士学位论文 2 利用j l , d i ：l 电场或磁场将二者分开，最有代表性的是1 4 环管过滤装置。 如图1 - 3 所示。 9 0 。 园 图1 , 3 利用1 4 环管上的轴向磁场将宏观颗粒和等离子体分开 1 4 课题的主要工作 本课题是结合国家自然科学基金项目“真空电弧沉积非晶硅研究”来完 成的。整个课题包括以下三个方面的内容： 1 ) 在现有真空电弧沉积薄膜装置的基础上进行硅电极真空电弧的纯 净化研究。采用新的电弧过滤方式，应用独立靶源和自溅射技术使 电弧等离子体经独立靶源转向和加速后沉积到基片上。这一内容的 目标是建立改进型的实验装置，所沉积的薄膜在4 0 0 0 倍的扫描电镜 下观察不到宏观颗粒的存在，并能保证足够的沉积率。 2 ) 利用改进型装置进行a s i 薄膜的沉积实验，控制工艺参数和离子 能量等微观参数使膜层呈非晶态。技术关键是微观参数的诊断与控 制。结合前期预研对沉积电弧的数学模拟，进行新条件下的等离子 体数学模拟，为全面模拟真空电弧沉积a s i 薄膜打下基础。这一 内容的目标是得到非晶态膜和较完善的洁净等离子体数学模型。 3 ) 研究真空电弧条件下n s i 薄膜的形成理论，根据应用条件调整工 艺参数和等离子体参数，使膜层具有所期望的掺杂含量、一定的电 导率并满足其他品质要求。技术关键是弧源的设计、工艺参数的控 7 华中理工大学博士学位论文 制以及n s i 薄膜生长过程分析。 1 5 章节安排 本文是国家自然科学基金项目“真空电弧沉积非晶硅研究”工作的组成 部分。针对宏观颗粒污染问题，从理论上和实验上对宏观颗粒的产生途径、 输运过程、抑制方法等方面进行了研究。 全文总共由十章组成。 第一章绪论比较了各种沉积工艺的优劣，总结了现有真空电弧沉积薄膜 技术的研究成果，提出了利用过滤真空电弧沉积纯净非晶硅薄膜的设想和可 行性。最后，介绍了全文的章节安排。 第二章论述了真空电弧的物理机制，包括真空电弧与高气压电弧的区 别、阴极斑点的运动和分裂、等离子体及宏观颗粒的发射等。从力学角度出 发，将单个阴极斑点看成个达到动态平衡的质点，提出了阴极斑点运动模 型，分析了阴极斑点发生正反向运动的原因，并试用该模型解释许多实验中 所观测到的现象。 第三章系统地介绍了真空电弧过滤沉积装置各部分的组成及结构。包括 弧源、电气系统、过滤系统、等离子体参数测量系统等。 第四章详细介绍了过滤真空电弧沉积装置控制磁场的设计及计算。 第五章以钛真空电弧为例，建立了宏观颗粒在飞行过程中的动力学方 程，研究了宏观颗粒的温度、速度、体积等参数的变化。计算结果表明，粒 子初始温度和半径不同，粒子参数随飞行距离的变化有较大区别。粒子初始 温度和半径越大，保持液态飞行距离越长。 第六章分别运用动力学方程和蒙特卡罗模拟方法研究了1 4 环管的过滤 效率与环境气压、外加磁场、环管偏压之间的关系。提出了提高1 4 环管过 滤效率的一些措施。 第七章首先分析了朗谬尔( l a n g m u i r ) 探针用于真空电弧镀膜( v a d ) 测量 的可行性，介绍了我们使用l a n g m u i r 探针诊断系统和一些初步实验结果。另 外，在第七章中还介绍了法拉第杯等离子体诊断的工作原理，设计了微机化 的法拉第杯等离子体诊断系统。在该系统中，计算机代替了人的测试及其复 华中理5 - 大学博士学位论文 杂运算，简化了操作，加快了诊断速度。 第八章利用扫描透镜等手段对不同工艺条件下( v a d 和f v a d ) 制备的 薄膜进行了表面形貌分析，并结合等离子体诊断结果，分析了等离子体微观 参数对膜层特性的影响。 第九章从c u c r 合金导电特性的唯象过程出发，建立了计算假合金触头材 料导电特性的三维单元网络模型。应用此模型分别计算了组份含量、孔隙等 参数对材料电导率的影响 第十章是全文的总结，并提出了后续研究的努力方向。 9 华中理工大学博士学位论文 第二章真空电弧的物理机制 摘要：本章论述了真空电弧中的物理现象，其中包括真空电弧与高气 压电弧的区别、阴极斑点的运动、阴极斑点的分裂、等离子体及宏观 颗粒的发射等。最后，从力学角度出发，将单个阴极斑点看成一个达 到动态平衡的质点，提出了阴极斑点运动模型，分析了阴极斑点发生 正反向运动的原因。 2 1 引言 真空电弧的实质是燃烧在电极自身金属蒸气中的“蒸汽”电弧。与高气 压电弧相比，真空电弧有许多不同之处”1 。 首先，从外观形态上来看，高气压电弧有集中的阴极斑点和阳极斑点。 由于受到自身电流产生的磁场箍缩效应，在高气压电弧阴极斑点和阳极斑点 之间，有一根明亮而且集中的弧柱。而真空电弧却不同，在阴极表面上往往 有许多明亮而分散的阴极斑点，阴极斑点作无规则运动。在阳极表面，只有 当电流超过一定的数值时，才能出现阳极斑点。各个阴极斑点之间好象是独 立的，弧柱呈锥状向阳极伸展。两极之间的弧柱亮度较弱。 阳饭耵点 ，f 一 i l i i 弧拄 li 、， ! i l i ! 一 骐橙废点 a 高气压电弧 图2 1电弧形态示意图 l ij l i ? f 砸蛀 1fi 1 f _ i l j l l 碉校宵点 b 真空电弧 1 0 华中理工大学博士学位论文 第二，二者具有不同的伏安特性曲线。高气压电弧具有下降的伏安特性。 电流增加，电弧压降降低，具有“负”特性。真空电弧却相反，具有正伏安 特性，弧压增加，电流增加。 a 高气压电弧 图2 - 2电弧伏安特性曲线 b 真空屯弧 第三，从外加横向磁场中的电弧运动特性来看，高气压电弧的运动服从 安培定律和左手定则，而真空电弧的运动与安培定律和左手定则规定的方向 相反。 a 高气压电弧 _ 悟； iv 。巾： 。+ 图2 3阴极斑点在横向磁场中的运动特性 1 1 ， 一 u 一 一二 u 、 一睦 r v 一 三一 华中理5 - 大学博士学位论文 第四，高气压电弧运行在高气压状态下，一般指1 3 3 p a 以上的气体环境 中，通常为大气电弧。带电粒子的自由程远远小于电极之间的距离，在两极 之间，与气体分子间碰撞次数较多。气体电离以碰撞电离为主，弧柱内有强 烈的电磁发射。而真空电弧运行在真空状态下，一般指1 3 3 p a 1 3 3 1 0 。5 p a 范围内。带电粒子的自由程大于电极之间的距离。在两极之间， 带电粒子与气体分子间几乎不发生碰撞。气体电离以热电离为主。 第五，高气压电弧带电粒子与气体分子间碰撞频繁。带电粒子的能量相 对较小，气体电离度小，主要以一次电离为主。而真空电弧以热电离为主，带 电粒子与气体分子间几乎不发生碰撞，带电粒子的能量很高，含有较高的多 次电离成份。 2 2 阴极斑点现象 真空电弧最神秘而又有趣的现象是阴极表面的阴极斑点。利用高速摄影 可以详细观察真空电弧阴极斑点的活动和形态变化。与其它部分相比，阴极 斑点亮度相对较高，因而用高速摄影可以清晰地记录燃弧过程中阴极斑点的 运动和形态变化。 通过高速摄影后分析，人们认识到：真空电弧每个阴极斑点所能通过的 电流是有限的。并且随阴极材料的不同而不同。当阴极材料一定时，单个阴 极斑点所能通过的最大电流统计值为一常数。表2 】列出了某些纯金属材料 单个阴极斑点所能通过的最大电流5 6 5 。 表2 - 1 真空电弧纯金属材料单个阴极斑点所能通过的最大电流 l 阴极材料 铜铝铁钛铝钨碳 l 电流( a ) 7 5 1 0 03 0 5 06 0 1 0 0 7 01 5 0 2 5 0 3 0 02 0 0 当电弧电流超过某种阴极材料单个阴极斑点所能通过的最大电流时，阴 极斑点便会自动发生分裂，直到单个阴极斑点所通过的电流不再超过它所能 通过的最大电流为止。分裂的斑点之间在它们自身的横向磁场作用下产生相 互排斥又相互吸引，几个独立的阴极斑点呈片状聚在一起，做不规则运动， 华中理工大学博士学位论文 在图2 - 4 所示的磁场位形下，它们相互排斥形成环状向外散开运动。 l 廿y 慨向堆场分置 芝舛 泛k 垦 ，、 图2 - 4轴对称线圈磁场在阴极表面的分布 图2 - 5 轴对称线圈磁场作用下阴极斑点环形状分布 六十年代以来，越来越多的研究表明5 1 56 1 ，电极材料本身对电弧运动速 度并没有什么显著的影响，而起决定作用的是电极表面的氧化膜和粗糙度。 在同样条件下，低熔点材料( 例如( p b ，c d ，s n ) 阴极斑点的逆动速度低， 高熔点材料( 例如w ，m o ，c u ) 阴极斑点的逆动速度高l 5 6 ，5 ”。 2 3 阴极斑点模型 电弧是两个电极之间的一种气体导电现象，电弧通道可以认为是一条导 电通路，电子运动方向是从阴极指向阳极。大部分工程应用出现的电弧是由 高速运动的阴极斑点发出的，因而，电弧本身也一般随阴极斑点的运动而运 动。以前，人们理所当然地认为，运动电弧在横向磁场中受力大小和运动方 华中理工大学博士学位论文 向服从安培定律和左手定则。然而，1 9 0 3 年，s t a r k 发现低气压汞电弧阴极斑 点在横向磁场中会产生与左手定则规定的方向相反的运动，称之为电弧反向 运动。以后，许多实验又发现，在类似的实验条件下，在其它材料的电极上 也存在电弧反向运动。通过进一步研究，人们还发现，随着外加条件的变化， 在正向运动与反向运动之间还存在着电弧停滞和往复运动状态。如图2 - 6 所示 【5 2 - 5 7j 0 一v 极甚 葛。 低低 气气 压压 区区 r p 彳 停 服 滞 动 区 区 图2 6 在不同的气压范围内横向磁场中电弧运动的一般规律 电弧现象广泛存在于各种开关电器中，例如，各种断路器、接触器、继 电器等。电弧的反向、停滞运动等特异现象，会直接影响电器的工作性能， 甚至使电器不能正常工作。尽管人们对电弧反向运动现象已有了几十年的研 究，但其机理仍然不甚明了。在这一基础上，结合现有的模型【5 9 】及实验结果， 提出了如下模型f 6 0 1 。 图2 7阴极斑点示意图 1 4 华中理工大学博士学位论文 2 3 1 模型 由实验观测得出，所谓阴极斑点是指阴极的微小发射区。可分为三个部 分：弧坑区、电离区、弧根区。 弧坑区为发射源，主要发射电子及喷出中性蒸汽和金属液滴。 电离区为碰撞区，发出的中性蒸汽在此电离，此区场强很高( 阴极压降 区) ，厚度为一个平均自由程，约0 1 1 o o n 弧根区几乎全部电离加少许中性蒸汽和液滴。 一般认为，阴极斑点由喷射形成的弧坑前的电离区组成，如图2 7 所示。 阴极斑点内有大量中性粒子、离子、电子，并且以很高的速度向外喷射，形 成等离子喷流。文献【5 9 综述了各种电弧运动理论，认为，所有模型基本上 都有一共识，即阴极斑点及弧根的运动决定了整个电弧的运动。 劳勃森曾对电弧反向运动从理论上进行了分析“，认为作用在阴极斑点 上的磁场b 由两部分组成：外加磁场岛和电弧根处自生磁场b 。，其大小为 ，方向总是与外加磁场反向。即 b = 一b 0 + 毛， ( 2 - 1 ) 其中i 是电弧电流，k 。是一个与外加磁场鼠、阴极尺寸、极间距离、 放置方式、材料等许多因素有关的系数，七l 0 。 阴极斑点的半径较小，一般在微米的数量级。假设阴极斑点内的粒子数 目在运动中达到动态平衡，所以，在该模型中，我们将阴极斑点看成是一个 由中性粒子、离子和电子构成的质点。 由于阴极斑点的运动，在阴极表面形成新的强场区，从而旧斑点熄灭， 新斑点形成。阴极斑点从产生到熄灭只有几到几十纳秒的时间。因而我们认 为，阴极斑点运动的速度方向就代表了电弧弧根处的运动方向。 建立直角坐标系如图2 1 所示。电场为z 轴负方向，磁场为x 轴负方向。y 轴正方向为电弧正向运动方向，y 轴负方向为电弧反向运动方向。 带电粒子在电场中运动要受到洛伦兹力厂 f = q v x b( 2 - 2 ) 为了简化分析，仅分析阴极斑点在y 轴方向的受力情况。 1 5 华中理工大学博士学位论文 f i y r y 亭荨 图2 8 阴极斑点受力分析图 由公式( 2 - 2 ) ，在图2 7 所示的坐标系下，单个带电粒子在y 方向受力 ，v = 筘t( 2 - 3 ) 其中q 为粒子所带电荷，以为带电粒子的z 方向运动速度。 所以单个离子、电子受力 z ，= z e b ( 2 - 4 ) 丘。= 一e b 吃( 2 - 5 ) 若假设一个阴极斑点内共有1 个正离子，m 个电子。所以阴极斑点所有 带电粒子总的受力为 = 厶+ 厶+ r ( 2 6 ) n ，n 。 其中r 是阴极斑点在运动过程中所受到的阻力。 c = z e b v i ：一e b v = + 月 ( 2 7 ) m n o 高速摄影分析指出 1 1 ，1 2 ，5 3 】，真空电弧单个阴极斑点所能通过的电流 是有限的，并且随阴极材料的不同而改变。当阴极材料一定时，一个阴极斑 点所能通过的最大电流其统计值为一常数。当电弧电流大于单个阴极斑点所 能通过的最大电流时，便发生分裂。对同一种阴极材料，阴极斑点面积大小 与电流成比例。由于阴极斑点运动速度较小，假定阻力r 与电弧运动速度圪。 一次方、通过单个阴极斑的电流的二分之一次方成正比。即 r = - c ( e ) v o , 。， ( 2 - 8 ) 其中c ( p ) 是一个与环境气体压强有关的系数，c ( p ) 0 。p k 是阴极斑点 在y 方向的运动速度。 华中理工大学博士学位论文 将( 2 1 8 ) 式带入( 2 7 ) 式中，得到 = z e b v , ：e e b v , ：一c ( 尸) 打 ( 2 9 ) w h 。 令 ：= ，巧，吃= 玑， m n 。 则 = n j z e b 圪