（材料物理与化学专业论文）脉冲偏压电弧离子镀沉积tio2与aln介电薄膜.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 介电薄膜是应用最广泛的一类功能薄膜，在机械、电子、信息、航天等领域起着越 来越重要的作用。但由于其导电性能不好，给它们的沉积制备带来了难度。比如采用最 为常用的p v d 技术之一即离子镀方法来制备这类薄膜时，由于薄膜表面的电荷累积会 引发微弧放电效应，一方面会给薄膜带来灾难性的破坏，另一方面还给控制系统的电器 元件带来安全隐患，所以普通的离子镀技术，包括应用最为广泛的电弧离子镀技术一直 被认为不能用来制备这类介电功能薄膜。脉冲偏压电弧离子镀是近年来涌现出来的一种 先进的薄膜制备技术，它继承了电弧离子镀的高离化率、高沉积速率等优点，还独具沉 积温度低、内应力小、晶粒细化及颗粒净化等技术优势，为沉积精细功能薄膜提供了潜 在条件。但实际上是否能够用脉冲偏压电弧离子镀来制备介电功能薄膜，却从未有过系 统的研究来提供充分的证据来证实，这一问题的明确对于发展电弧离子镀技术和开发薄 膜新材料都具有重要意义。 本文采用脉冲偏压电弧离子镀，通过合理匹配脉冲偏压的频率、占空比和幅值等参 数，有效地抑制了由电荷累积所导致的微弧放电效应，在玻璃、单晶硅和不锈钢等三种 具有不同导电性能的基片上，成功地制各出致密平整的t i 0 2 、t i 0 2 - x n x 和a i n 等介电薄 膜，充分证实了脉冲偏压电弧离子镀制各介电功能薄膜的可行性。同时在o 9 0 0 v 范围 内改变脉冲偏压的幅值，考察了脉冲偏压对t i 0 2 、t i 0 2 x n ，和a l n 薄膜的生长形态、微 观结构及其宏观性能的影响，结果表明，无论是在导电基片、半导体基片还是绝缘基片 上，脉冲偏压对薄膜的色泽、沉积速率、硬度和弹性模量、膜基结合力、表面微结构和 粗糙度以及光学性能等均有明显的调控能力，进一步深层次证实了用脉冲偏压电弧离子 镀制备介电功能薄膜的有效性。最后利用等离子体鞘层理论模型和模拟计算结果对实验 现象给出了合理解释。具体研究结果如下： ( 1 ) 脉冲偏压电弧离子镀t i 0 2 薄膜研究 在很宽的范围内( 0 9 0 0 v ) 改变脉冲偏压的幅值，在玻璃、硅片及不锈钢三种基 片上均获得均匀透明的t i 0 2 薄膜。薄膜表面均平整光滑，大颗粒的数量少且尺寸小， 薄膜表面质量好。3 0 0 v 偏压时玻璃基片上沉积态t i 0 2 薄膜表面达原子级平滑，r 。约 为o 1 n m ，薄膜的折射率惭；5 5 0 i l 。最大，约为2 5 l ，达到已有报道非晶t i 0 2 薄膜的最高 折射率。也是在偏压为一3 0 0 v 时，不锈钢基片上的t i 0 2 薄膜的膜基结合力可高达8 2 n 。 玻璃基片上沉积态t i 0 2 薄膜主要呈非晶态，薄膜颜色均匀但各偏压下各不相同。 ，s 结果表明，玻璃基片上薄膜中钛氧化学计量比约为1 ：2 ；增加基片负偏压有利于t i o 成键。随着负偏压的增大，玻璃基片上薄膜的吸收边先红移后蓝移，沉积速率先增大后 大连理工大学博士学位论文 减小，薄膜的硬度先增大后减小，1 0 0 v 和3 0 0 v 负偏压时薄膜硬度较高，达到1 1 g p a 以上；光学带隙基本不变，约为3 2 7 e v 。 硅基片上沉积态t i 0 2 薄膜以金红石相为主，9 0 0 v 时，薄膜在( 2 2 0 ) 方向择优生长。 经过空气中6 0 0 保温1 h 退火处理后，薄膜的相结构随制备偏压各有不同。a f m 结果 表明，无偏压时薄膜平整，表面岛尺寸小且密度高，9 0 0 v 时薄膜表面起伏较大，表面 岛尺寸大且密度小。傅立叶红外光谱和拉曼光谱也表明负偏压对薄膜微结构和成键有明 显的影响。 不锈钢基片上仅5 0 0 v 时所得沉积态薄膜为锐钛矿相，其余偏压时为非晶态。随负 偏压的增加，沉积速率先增大后减小。不同负偏压下t i 0 2 薄膜的硬度均高于不锈钢基 体的硬度，弹性模量与之相近，后者有利于提高膜基结合力。 ( 2 ) 脉冲偏压电弧离子镀t i 0 2 x n 。薄膜研究 利用脉冲偏压电弧离子镀通过多元气体混合法实现了n 元素的置换式掺杂，n 离子 置换n 0 2 中部分o 离子，形成了n t i o 网络。掺杂n 元素后，薄膜吸收响应起始波 长蓝移至4 0 0 r i m 。在偏压为- 3 0 0 v 时玻璃基片上t i 0 2 x n 。薄膜表面大颗粒较少，薄膜摩 擦系数最小，约为o 1 3 。不锈钢基片上，当负偏压由0 v 增大至3 0 0 v ，薄膜的膜基结合 力由4 5 n 增大至6 5 n ，提高了4 0 以上。 ( 3 ) 脉冲偏压电弧离子镀a l n 薄膜研究 同样通过改变脉冲偏压幅值进行制备a 1 n 薄膜的对比实验，在玻璃、3 1 6 l 不锈钢 和硅基片上也成功地获得了a i n 薄膜，但由于a l 的熔点很低致使薄膜表面存在较多的 “针状”大颗粒。无偏压时s i 基片上a 1 n 薄膜无明显的择优取向，5 0 v 时表现为六角 相a 1 n ( 1t o ) 面择优取向，偏压升高至1 0 0 v 和3 0 0 v ，薄膜择优取向转变为面心立方相 a 1 n ( 2 0 0 ) ，偏压继续升高至5 0 0 v ，薄膜择优取向重新转变为六角相a i n ( 1l o ) 。无偏压、 - 1 0 0 v 和3 0 0 v 时硅基片上a i n 薄膜为面心立方相和六角相混晶结构，5 0 v 和5 0 0 v 偏 压时为六方相结构，此时a i n 薄膜的硬度高达3 3 g p a 。由于形成了六方相结构，1 0 0 v 和- 3 0 0 v 时3 1 6 l 不锈钢基片上a l n 薄膜的硬度也高于3 0 g p a 。 最后，本文结合脉冲偏压等离子体鞘层的物理特性对实验结果进行讨论分析，可知 本实验有效避免微弧效应的根本原因源于两方面，一是等离子体鞘层厚度随脉冲偏压变 化面产生动态的脉冲振荡，使积累的正电荷能及时被中和；二是通过合理调整脉冲偏压 频率，占空比和幅值，使电荷累积达不到微弧击穿的强度。此外更为重要的是，脉冲偏 压可使加速沉积粒子的电场始终有效，进而对介电薄膜的生长产生影响，从而能间接调 控薄膜的结构与性能，这是用脉冲偏压电弧离子镀制备介电功能薄膜具有可行性的深层 次原因。 关键词：脉冲偏压电弧离子镀；介电薄膜；氧化钛薄膜；氮化铝薄膜；等离子体 大连理工大学博士学位论文 d i e l e c t r i cf i l m so ft i 0 2a n da i n b y p u l s e db i a sa r ci o np l a t i n g a b s t r a c t d i e l e c t r i cf i l m sa r et h em o s tw i d e l y u s e df u n c t i o n a lf i l m s w h i c hp l a yi n c r e a s i n gr o l e si n t h em a c h i n e r y ，e l e c t r o n i c s ，i n f o r m a t i o n ，a e r o s p a c ea n do t h e rf i e l d s b u tt h e i rp o o r c o n d u c t i v i t yb r i n g sd i f f i c u l t yt os y n t h e s i si ns o m ep v dp r o c e s s e s t a k ei o np l a t i n ga sa l l e x a m p l e ，m i c r o a r c sc a u s e db yc h a r g ea c c u m u l a t i o nn o to n l ys e v e r e l yd e g r a d ef i l mq u a l i t y ， b u ta l s od a m a g e se l e c t r i c a lc o m p o n e n t so ft h ec o n t r o ls y s t e m t h u s ，i o np l a t i n g ，i n c l u d i n g w i d e l y - u s e da r ci o np l a t i n g ，h a sa l w a y sb e e nc o n s i d e r e du n s u i t a b l et of a b f i c m ed i e l e c t r i c f i l m s p u l s e db i a sa r ci o np l a t i n g ( p b a i p ) i sa na d v a n c e dt h i nf i l md e p o s i t i o nt e c h n o l o g y e m e r g i n gi nr e c e n ty e a r s i ti n h e r i t st h ea d v a n t a g e so fa r ci o np l a t i n gs u c ha sh i g l li o n i z a t i o n r a t ea n dd e p o s i t i o nr a t ea n d b r i n g si nn e wf e a t u r e ss u c ha sl o wd e p o s i t i o nt e m p e r a t u r ea n d r e s i d u a ls t r e s s ，g r a i nr e f i n e m e n ta n d d r o p l e tr e d u c t i o n t h e s ef a v o r a b l ef e a t u r e si n a k ep b a i p a p o t e n t i a lt e c h n i q u et of a b r i c a t ef i n ef u n c t i o n a lf i l m s h o w e v e r w h e t h e rp b a i pc a nb eu s e d t of a b r i c a t ed i e l e c t r i cf i l m sh a sn o tb e e ne x t e n s i v e l ya t t e m p t e d t h ec l a r i f i c a t i o no ft h i si s s u e i so fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h ed e v e l o p m e n to fa r ci o np l a t i n gt e c h n i q u ea n dn e wf i l m m a t e r i a l s m i c r o - a r c sd u et oc h a r g ea c c u m u l a t i o nh a v eb e e ne f f e c t i v e l ys u p p r e s s e db yp m p e r l y m a t c h i n gp u l s ef r e q u e n c y ，d u t yc y c l ea n db i a sv o l t a g e d e n s ea n ds m o o t hd i e l e c t r i cf i l m s s u c ha st i 0 2 ，t i 0 2 x n xa n da i nh a v eb e e ns u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e db yu s i n gp u l s e db i a sa r c i o np l a t i n gt e c h n i q u eo ng l a s s ，s i o o o ) a n d31 6 ls t a i n l e s ss t e e ls u b s t r a t e s ，w h i c hr e p r e s e n t r e s p e c t i v e l yi n s u l a t o r , s e m i c o n d u c t o ra n dc o n d u c t o r i th a sb e e ns u f f i c i e n t l yp r o v e nb yo r r e x p e r i m e n t st h a tp b a i pc a nb eu s e dt os y n t h e s i z ed i e l e c t r i cf i l m s t h ei n f l u e n c eo fp u l s e d b i a so ng r o w t hm o r p h o l o g y ，m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so ft i 0 2 ，t i 0 2 x n xa n da i nf i l m s h a sb e e ni n v e s t i g a t e db yv a r y i n gt h eb i a sv o l t a g ef r o mo vt o - 9 0 0 v 1 1 玲r e s u l t ss h o wt h a to n w h a t e v e rs u b s t r a t e s p l l i s e db i a se x h i b i t sg o o dr e g u l a t i o na n dc o n t r o la b i l i t yo nf i l mc o l o r , d e p o s i t i o nr o t e ，h a r d n e s sa n de l a s t i cm o d u l u s ，a d h e s i o nf o r c e ，m i c r o s t r u c t u r e ，s u r f a c e r o u g h n e s sa n do p t i c a lp r o p e r t i e s ，w h i c hh a sf i l r t h e rp r o v e nt h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gp b a i pt o f a b r i c a t ed i e l e c t r i cf i l m s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sh a v eb e e nr a t i o n a l l yi n t e r p r e t e db yu s i n ga p l a s m as h e a t hm o d e la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s d e t a i l e dr e s u l t sa r cl i s t e da sf o l l o w s ( 1 ) s y n t h e s i so f t i 0 2f i l m s u n i f o r ma n dt r a n s p a r e n tt i 0 2f i l m sh a v eb e e nd e p o s i t e do nt h r e ek i n d so fs u b s t r a t e s 、i t hp u l s e db i a sv o l t a g ev a r y i n gi naf a i r l yw i d er a n g ef r o m0 vt o - 9 0 0 v d r o p l e t so nf i l m s u r f a c ea r ef e wa n ds m a l l f i l ms u r f a c eq u a l i t yi sg o o d a s - d e p o s i t e dt i 0 2f i l m so ng l a s s d e p o s i t e da t - 3 0 0 va r ca t o m i c a l l ys m o o t hw i t hr m sr o u g h n e s so fo 11 3 n m w h i c hr e s u l t si n ah i g hr e f r a c t i v ei n d e x2 51a t5 5 0 m ，c l o s e dt ot h em a x i m u mr e p o r t e di n 山el i t e r a t u r e s 大连理工大学博士学位论文 d e p o s i t e da tt h es a m eb i a s ，3 0 0 v ，a n dt i 0 2f i k n s0 1 3 3 1 6 ls t a i n l e s ss t e e ls u b s l x a t e sh a v ea h i 吐a d h e s i o nf o r c eo f8 2 n m o s to f t h e 嬲d e p o s i t e dt i 0 ，f i l m so i lg l a s sa f ei i l _ a m o r p h o u ss t a t e n 圮f i l mc o l o r sa r e u n i f o r ma n dd i f f e r e n tw i t ht h es u b s t r a t eb i a s x p sr e s u l t ss h o wt h a ts t o i e h i o m e t r i cp r o p o r t i o n o f t ia n d0i sl ：2a n dh i 吐b i 鹳v o l t a g eh e l p sb o n d i n gb e t w e e nt ia n d0 w i t ht h ei n c r e a s eo f b i a sv o l t a g e ，a b s o r p t i o ne d g eo ft h et i 0 2f i l m sr e d - 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5 0 0 v ，t h e p r e f e r r e do r i e n t a t i o nc h a n g e sb a c kt oh e x a g o n a l 舢nf 11 0 ) 烈nf i l m s o i ls is t t b s t r a t e s d e p o s i t e da to v i o o va n d 3 0 0 va r ec o m p o s e do fm e 缸a n dh e x a g o n a lp h a s e s ，a n dt h e f i l m sa t 5 0 va n d 5 0 0 vc o n s i s to f t h eh e x a g o n a lp h a s e ，r e s u l t i n gi nah i g h e rf i l mh a r d n e s so f i v 大连理工大学博士学位论文 3 3 g p a h a r d n e s so fa l nf i l m so n3 1 6 ls t a i n l e s ss t e e ls u b s t r a t e sa t 1 0 0 va n d 3 0 0 vi s h i g h e r ，a b o v e3 0 g p a , d u et ot h rf o r m a t i o no f t h ah e x a g o n a lp h a s e f i n e l y 。t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v eb e e nd i s c u s s e dw i t h i nt h ef r a m e w o r ko fp u l s e p l a s m as h e a t h mf u n d a m e n t a l 麟o r i sf o r 廿l es u p p r e s s i o no fm i c r o - a r c sl i ei nt w oa s p e c t s o n ei st h a tp l a s m as h e a t ht h i c k n e s ss h o w sad y n a m i c a lo s c i l l a t i o ni ns t e pw i t ht h ep u l s e db i a s n 圮a c c u m u l a t e dp o s i t i v ec h a r g ei sn e u t r a l i z e di n s t a n t l y a c c u m u l a t e dc h a r g eq u a n t i t yc a n n o t m e e tt h ei n t e n s i t yf o rm i c r o - a r cb r e a k d o w nb ym a t c h i n gp u l s ef r e q u e n c y ，d u t yc y c l ea n db i a s v o l t a g e m o r ei m p o r t a n t l y ，p u l s e db i a si sa l w a y se f f e c t i v ei na c c e l e r a t i n gt h ed e p o s i t i o ni o n s p e c i e sa n di n f l u e n c e st h ef i l mg r o w t h t h u sp u l s e db i a sc a ni n d i r e c 廿yr e g u l a t ea n dc o n t r o l 丘l i i lm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s t h i si st h eu n i q u ef e a t u r ei nt h es y n t h e s i so fd i e l e c t r i c f u a c t i o n a lf i l m su s i n gp u l s e db i a sa r ci o np l a t i n gt e c h n i q u e k e yw o r d s ：p u l s e db i a sa r ci o np l a t i n g ；d i e l e c t l cf i l m s ；t i 0 2f i l m s ；a i nf f l m s ；p l a s m a v 一 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名专长故 * 翩签名：立塑 望里昼年上月日 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 近年来，材料科学取得长足进展。具备各种优异性能的新材料层出不穷。材料的选 择范围也不再仅仅局限于少数几种传统材料，而是包括了种类繁多、性能和用途各异的 成千上万种新型材料。在材料科学的各分支中，薄膜材料科学的发展一直占据极为重要 的地位。薄膜材料是相对于体材料而言的，是人们采用特殊的方法，在体材料的表面沉 积或制备的一层性质与体材料截然不同的物质层，以获得比体材料更优越的综合性能。 薄膜的制备技术，是薄膜材料科学中的最主要内容之一，在薄膜材料科学中具有举 足轻重的地位。从某种意义上说，薄膜制备技术的发展首先决定着薄膜材料科学的发展。 1 1 电弧离子镀 电弧离子镀是应用最为广泛的薄膜制备技术之一，是三大p v d 制膜技术之首( 电 弧离子镀、磁控溅射和蒸发镀膜是p v d 技术的典型代表) ，又被称为真空电弧沉积 ( v a c u u ma r ed e p o s i t i o n , v a d ) ，就是将电弧技术应用于离子镀中，在真空环境下利 用电弧蒸发作为镀料粒子源实现离子镀的过程。在实际应用中，利用真空电弧将涂覆材 料离化后，通入反应气体，使之与镀料离子在沉积室内发生反应，于基体表面生成薄膜， 所以这种技术也被称为反应电弧离子镀( r e a c t i v ea r ci o np l a t i n g ，r a i p ) 。 电弧离子镀的突出特点在于它能产生由高度离化的蒸发材料粒子组成的等离子体， 一般认为其离化率在7 0 - 8 0 之间，是目前离化率最高的离子镀形式 1 】。此外，电弧离 子镀还具有如下特点b 习： 、 ( 1 ) 由于阴极蒸发源的安装方位不受限制允许安置多个阴极源同时工作，保证了 薄膜沉积的均匀性和很高的沉积效率； ( 2 ) 电弧斑点的加热面积极小，其运动速度和轨迹可用磁场控制，容易实现选择性 蒸发，使用合金阴极或使用多个不同材料的阴极，方便沉积复合类薄膜； ( 3 ) 具有高的蒸发效率，反应气体对蒸发速率影响较小，而且在一定范围内离子电 流却与电弧电流能成正比，所以工艺参数控制非常简单直接。 传统的电弧离子镀以直流负偏压技术为工艺基础，在基片上施加直流负偏压，以改 善薄膜组织结构和性能，得到结构致密，结合牢固的薄膜。其原理用m e s s i e r 等1 4 】提出 的结构区域模型( s z m ) 可以给出很好的解释。该模型指出。在离子镀过程中，形成组 织结构致密的t 区薄膜所需的基片温度的下限，随着基片负偏压的增加即离子轰击作用 的增强而下降，如图1 1 所示。换言之，增大基片负偏压提高轰击离子能量，在总体效 果上，可补偿基片温度的不足。 脉冲偏压电弧离子镀沉积t i 0 2 与a i n 介电薄膜 图1 _ 1m e s s i e r 结构区域模型 f i g 1 1s t r u c t u r ez o n em o d e lo f m e s s i e r 众多研究和分析【扣7 】也表明，镀膜过程中荷能粒子( 主要是离子) 对基体和生长中 薄膜的轰击对于薄膜质量具有重要的作用。粒子轰击会产生一些微观效应，比如，增加 形核速率嘲，形成难熔的硬质相，消除柱状生长7 8 】，改变择优生长取向m 2 1 等。这些微 观效应会导致薄膜结构致密化【1 3 t 4 1 ，内应力得到控制 川，膜基结合强度改掣旧，最终 获得高质量的薄膜。 电弧离子镀技术在二十几年里得到了突飞猛进的发展。起初人们利用电弧离子镀技 术在切削工具上镀覆t i n 薄膜，由于t i n 特有的硬度和耐磨性质，使刀具的寿命成倍提 高，这为自动化生产线的迅速产业化提供了技术保障，所以在当时就引起了机械加工业 的一场“刀具技术革命”。之后，电弧离子镀很快就发展成为世界范围的一项高新技术 产业，其主要产品不仅仅是高速钢和硬质合金工具上的t i n ，还拓展到成份与结构多元 化的复合耐磨镀层【协1 8 1 ，由于t i n 特有的类金色泽使其装饰镀层也受到了广泛欢迎【1 9 ， 2 0 】。进入九十年代，电弧离子镀已经取代了其它各种类型的离子镀形式，成为目前t i n 系列镀层工业唯一的生产工艺。 1 2 电弧离子镀的不足与解决现状 电弧离子镀虽然拥有其他镀膜技术不可比拟的优点，也存在明显的不足，这些不足 在很大程度上限制了它的进一步发展和应用空间。 应该注意到，迄今为止，电弧离子镀主要应用于制各刀具、工模具表面耐磨耐腐蚀 硬质t i n 类涂层上。人们一直期望具有高离化率、成膜致密、膜基结合力强等优点的电 弧离子镀技术能够用于合成光、电、信息、生物医学等精细纳米功能薄膜，比如t i 0 2 ， h i d 2 ，a i n ，a 1 2 0 3 薄膜等。但由于很难克服以下提到的两个工艺难题，电弧离子镀一 直被拒于功能薄膜制备领域的大门之外，尤其是具有绝缘性质的介电功能薄膜。 大连理工大学博士学位论文 首先是电弧离子镀所特有的大颗粒污染问题。所谓的大颗粒，就是来自于电弧阴极 弧斑在靶材表面滚动燃烧时不断产生的中性粒子团簇( 或者称为中性粒子流) ，这些中 性粒子团簇与等离子体一道喷发出来，飞落到正在沉积生长的薄膜表面而造成的薄膜表 面污染。这些大颗粒不但影响薄膜表面粗糙度，而且还破坏薄膜的连续性，降低薄膜的 综合性能，严重影响薄膜的使役性能。这一缺点使它不适宜制备高质量的尤其是纳米尺 度的精细功能薄膜。黄美东等1 2 【】利用电弧离子镀技术制备a l n 薄膜，发现薄膜表面粗 糙，大颗粒污染严重。 人们为解决大颗粒污染问题，对大颗粒的产生、传输过程f 2 2 ，2 3 1 、分布1 2 4 】以及 与等离子体的相互作用，大颗粒对薄膜组织和性能的影响 2 q 等问题进行了研究。 c n t a i 等发现【2 “，大颗粒的数量及尺寸与弧电流、沉积时间、靶材厚度成正比， 而与负偏压、靶基间距和气体压力成反比。b o x m a n n 等【2 3 i 也指出，若对弧靶进行 有效冷却、降低弧流以及用磁场加快弧斑运动速度等方法都可以在一定程度上减 少大颗粒。在反应离子镀膜的情况下，适当调节送气系统而使反应气体“毒化”阴极 靶表面也可以减少大颗粒的尺寸和数量。h o v s e p i a n 2 7 1 及其合作者研究了在氮气气 氛下制备t i n 薄膜时氮气对纯钛靶表面“毒化”的情况，结果表明，阴极钛靶表面 与氮气反应先后生成t i 2 n 和t i n ，提高了阴极表面材料的熔点，抑制液滴的形成， 从而减少了大颗粒。但是，k o s h i 等 2 8 1 人的研究却表明，阴极靶表面“中毒”会引 起打弧现象沉积工艺变得不稳定，致使薄膜表面产生缺陷，反而影响薄膜的质 量。g a u t i e r 【29 】将纯铬靶在氧和氮气氛围下用真空电弧蒸发沉积铬、氮、氧的三元 复合物薄膜时发现，铬靶的“毒化”使沉积速率下降，而大颗粒污染仍然存在。 可见，无论是调节工艺参数，还是用毒化方法，都无法完全彻底地去除电弧离子 镀过程中的大颗粒。 直到磁场过滤的方法产生以后，大颗粒的问题逐渐得到了解决。早在七十年 代，a k s e n o v 等1 3 0 l 就指出，用9 0 。夹角的弯管状磁过滤器可以去除电弧等离子体中 的大颗粒。b e n d a v i d 3 1 】应用磁过滤真空电弧沉积a u 膜，薄膜表面粗糙度优于蒸镀 和溅射法获得的表面。在制备光学薄膜时【3 2 】，磁过滤显示了其积极的作用。后来， 过滤器的结构得到了改进。b a l d w i n ”】将过滤弯管的夹角从传统的9 0 。改为4 5 0 ( 称 为k n e e f i l t e r ) ，a k s e n o v 3 4 j 也将其经典的9 0 。夹角弯管改为直线型，并成功地用 真空电弧沉积了类金刚石( d l c ) 薄膜。近年来，新加坡南洋理工大学史旭等1 3 s 发明了空间弯管结构的封闭式过滤装置，使阴极电弧沉积中的大颗粒污染问题基 本得到解决。但是必须指出的是，在这些去除大颗粒的方法中，都必须额外附加 昂贵的磁过滤设备，一方面增加了生产成本，还使沉积效率明显降低。 脉冲偏压电弧离子镀沉积t i o 2 与a i n 介电薄膜 电弧离子镀制备介电功能薄膜面l 临的另一个问题，是由电荷累积导致的微弧放电。 以直流负偏压为工艺基础的电弧离子镀不能用来在绝缘基片上沉积薄膜，也不能制备介 电薄膜。 王王 e 4d i e l e c t r i es u h s t r a t e f i l m 融馘蘸嘲 图1 2 沉积介电薄膜或绝缘基片上镀膜过程中的微弧现象 f i g 1 2a r c i n gp h e n o m e n ai ns o n a ep v dp r o c e s s e s 介电薄膜具有介电材料的诸多性质，比如介电常数高、导电性差甚至不导电等等。 这使得此类薄膜在p v d 工艺制备中难于进行。大多数的p v d 过程，如溅射、辉光放电、 电弧放电等，都在等离子体气氛中完成。在等离子体气氛中进行薄膜沉积过程，会发生 电荷转移的现象。以t i n 为例，t i + 和n + 结合生成t i n 会导致剩余正电荷积累于薄膜表 面，如果基片和薄膜导电且接地或者负偏压，则从基片和薄膜中源源不断有电子来把正 电荷中和。但如果薄膜或基片带有介电性质，甚至绝缘，薄膜表面的正电荷就不能被来 自基片台的电子中和。随着薄膜沉积过程的进行，生长中的薄膜表面会累积大量的正电 荷，薄膜、基片和基片