过滤管道磁场在改进真空弧沉积系统中的作用

1、第35卷第3期2001年5月原子能科学技术AtomicEnergyScienceandTechnologyVol.35,No.3May2001文章编号:100026931(2001)0320229205过滤管道磁场在改进真空弧沉积系统中的作用王广甫1,2,张荟星2(11北京师范大学分析测试中心,北京100875;21100875)摘要:在90°30V的正偏压可使磁过滤管道起到阴极弧,MEVVA源阳极2阴极和磁过滤管道2阴。研究结果表明:随磁过滤磁场升高,磁过滤管道和阴极之间的弧放电规模降低,系统的等离子体传输效率升高,但对MEVVA源阳极和阴极之间的弧放电规模影响不大。关键词:阴极真

2、空弧放电;磁过滤管道;第二阳极作用;磁过滤管道磁场中图分类号:TL657文献标识码:A阴极真空弧沉积技术适用于薄膜合成方法,但会造成大颗粒污染。在消除阴极真空弧等离子体中大颗粒的方法中,偏转管道磁过滤方法最为成功,它采用一相对MEVVA等离子体源阳极加有20V正偏压、偏转90°的磁螺旋管来消除大颗粒污染1,2。磁过滤管道正偏压加在管道和MEVVA源的阴极之间时,磁过滤管道在过滤大颗粒的同时还作为MEVVA源第二阳极,与阴极产生阴极真空弧放电3。由于磁过滤管道的第二阳极作用,MEVVA源的阴极消耗率大幅度上升,使系统在不增大MEVVA源原有主弧电源功率的情况下,仅靠改变磁过滤管道正偏压

3、的供电方式,即可大幅度提高系统的沉积速率3。本工作就磁过滤管道磁场对MEVVA源阳极2阴极和磁过滤管道2阴极两个回路弧放电和磁过滤管道传输效率的影响进行实验研究,并从系统弧放电规模和传输效率两个角度对磁过滤管道磁场的作用进行讨论。1实验装置3实验装置由MEVVA等离子体源、磁过滤管道和沉积靶室三部分组成,装置示意图示于收稿日期:2000201210;修回日期:2000209207基金项目:国家“八六三”计划资助项目(8632715200820040),男,河北临城人,副研究员,博士,核技术专业作者简介:王广甫(1964© 1994-2006 China Academic Journa

4、l Electronic Publishing House. All rights reserved. 230原子能科学技术第35卷图1。一台MEVVA等离子体源4用来产生等离子体。MEVVA源工作于脉冲状态,阴极直径为20mm,阳极孔径为68mm。主弧脉冲宽度为215ms,脉冲(触发)频率225Hz连续可调。用来对MEVVA源产生的等离子体进行约束和压缩的聚焦磁场由阳极筒外所绕线包产生。线包由一030V、05A的直流电源供电,可在阳极中心产生010mT的轴向磁场。MEVVA源产生的阴极材料等离子体经过一根偏转90°的不锈钢磁过滤管道滤掉大颗粒后进入沉积靶室。磁过滤管道偏转半径为94

5、mm,孔径为68mm,管道内等离子体导向磁场由管道外所绕线包产生。励磁线包由一台0100V、05A的直流电源供电,可在管道中心产生038mT的轴向磁场。不同于一般磁过滤阴极真空弧沉积装置的是:磁过滤管道正偏压为3060V,且加在管道和MEVVA源阴极之间。在此偏压下,磁过滤管道和阴极之间产生阴极真空弧放电。这样,磁过滤管道既起过滤大颗粒的作用,又作为阴极弧放电的第二阳极,使系统的弧放电规模大幅度增加3。正偏压电源电容为105F,持正偏压的稳定流很大,沉积装置。实验条件为:采用直径20mmTi阴极,触发频率4Hz,弧压100V。靶室沉积束流由距离磁过滤管道出口55mm、直径为100mm的圆盘靶测

6、量。靶上加负100V的电压。MEVVA源阳极电流和磁过滤管道电流分别用MEVVA主弧电路和管道正偏压电路中串联的10A/75mV和20A/75mV的分流器测量。实验过程中,系统真空好于4×10-4Pa。图1改进磁过滤阴极真空弧沉积装置示意图Fig.1Theschematicdiagramofamodifiedvacuumarcdepositionapparatuswiththeductpositivelybiasedrelativetothecathode2实验结果及讨论211磁过滤管道磁场对靶上沉积离子流强的影响图2为弧源聚焦磁场励磁电流IBf为114A时,磁过滤磁场励磁电流IBd

7、对靶上沉积离子流强Itarget的影响。可以看到,对不同的管道正偏压Vbias,靶上离子流强均有一最大值,而达到最大值时的过滤磁场随管道正偏压的升高明显增大。这是因为管道正偏压升高,磁过滤管道和阴极间的弧放电规模变大,通过管道的等离子体密度增大,因此,达到同样的压缩和导向作用所需要的过滤磁场励磁电流随之增大。图3为过滤管道正偏压为40V时,在不同弧源聚焦磁场励磁电流IBf情况下的磁过滤管道磁场励磁电流IBd对靶上沉积离子流强Itarget的影响。显然,在聚焦磁场较低时,靶上沉积离子流强随过滤磁场升高近似线性增大,聚焦磁场较高时,靶上沉积离子流强Itarget随过滤磁场的变化皆为先增后降,且It

8、arget达最大值时的IBd均为018A,对应磁过滤管道中心磁场约为7mT。这是因为,当正偏压加在磁过滤管道和阴极之间时,在阳极和阴极间产生弧放电的同© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期王广甫等:过滤管道磁场在改进真空弧沉积系统中的作用231时,过滤管道和阴极之间也产生了阴极弧放电。在过滤管道偏压较高时,后者的规模较前者大得多。所以,在讨论磁过滤磁场对系统工作特性的影响时,不仅要考虑管道磁场对等离子体的压缩和导向作用,更需要考虑它对管道和阴极间弧

9、放电的影响。在IBf较小时,MEVVA源阳极和阴极之间弧放电规模较大,而过滤管道和阴极之间弧放电规模较弱5,过滤管道磁场对MEVVA源产生等离子体的导向和聚焦作用占主导地位,管道磁场越强,等离子体传输效率越高,Itarget越大;在IBf较大时,管道的第二阳极作用很强,MEVVA源本身的弧放电已很弱甚至熄灭5,此时,磁过滤管道磁场对管道和阴极间弧放电等离子体的导向聚焦作用占主导地位,管道磁场增大,等离子体传输效率随之升高,弧放电规模变小,因此,出现最大值。图2Vbias下的IBd对靶上沉积离子流强Itarget的影响Fig.2Influenceofthefilteringductmagnetc

10、urrentontheaverageductoutputionbeamcurrentatvariousductpositivebias弧源聚焦磁场电流:114A1Vbias=40V;2Vbias=50V;3Vbias=60V图3不同弧源聚焦磁场IBf情况下的磁过滤管道磁场励磁电流IBd对靶上沉积离子流强的影响Fig.3Variationoftheductoutputwiththefilteringductmagnetcurrentatvariousfocusingmagneticfieldcurrent过滤管道正偏压:40V1IBf=0A;2IBf=014A;3IBf=019A;4IBf=11

11、4A;5IBf=118A212过滤管道磁场对系统弧放电的影响实验观察到:磁过滤磁场对弧源阳极电流(MEVVA源阳极和阴极之间的弧放电电流)的影响不明显。原因在于:在此情况下,过滤管道和阴极间产生了弧放电,弧源中等离子体密度较高,较小的磁过滤管道边缘场对MEVVA源的阴极真空弧放电影响很小。图4为弧源聚焦磁场电流为018A时,不同过滤管道偏压Vbias下的磁过滤磁场励磁电流IBd对打到磁过滤管道上电流Iduct和系统总弧流Iarc的影响。过滤管道电流随管道磁场的升高而减低,这主要是管道磁场对等离子体的压缩和导向作用引起的。因管道磁场升高使磁过滤管道和阴极间的等离子体横向电阻增大,从而使管道和阴极

12、之间的弧放电规模降低。另外,当较低的正偏压加在管道和阴极之间时,较高的过滤磁场可使管道电流变为负值。这是因为,磁场对电子比对离子具有更强的压缩作用。磁场较高时,因受磁场的约束作用,当打到过滤管道的离子流大于电子流时,磁过滤管道电流将出现负值。实际上,此时的磁过滤管道已不再起第二阳极的作用,达到管道内的等离子体是由MEVVA源产生的。© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 232原子能科学技术第35卷图4在不同过滤管道偏压下的磁过滤磁场励磁电流IBd对打到磁

13、过滤管道上电流Iduct(a)和系统总弧流Iarc(b)的影响Fig.4Variationoftheductcurrent(a)andthetotalarccurrent(b)withthefilteringductmagnetcurrentatduct181Vbias=30V;2Vbias=V50biasV由上述可知:4a的规律一致。,在这种改进磁过滤管道的工作方式下,磁过滤管道磁场和管道偏压对MEVVA源阳极和阴极之间的弧放电影响很小3,它对系统总弧流的影响是通过影响管道和阴极之间的弧放电电流IBd实现的。213过滤管道磁场对系统传输效率的影响按惯例,磁过滤真空弧沉积系统的等离子体传输效率

14、用沉积靶室获得束流Itarget与系统总的弧放电电流Iarc的比值来表示。图5为磁过滤管道正偏压为40V时,不同聚焦磁场励磁电流IBf下过滤管道磁场励磁电流IBd变化对系统传输效率的影响。显然,在IBd为012018A时,过滤管道的传输效率随过滤管道磁场图5不同聚焦磁场IBf下过滤管道磁场励磁电流IBd对系统传输效率的影响Fig.5Influenceofthefilteringductmagnetcurrentontheplasmatransportefficiencyatvariousfocusingmagnetcurrent磁过滤管道正偏压:40V1IBf=014A;2IBf=018A;的

15、上升而很快增高。进一步提高过滤管道磁场时,3IBf=110A;4IBf=114A;系统传输效率仅缓慢增高。这主要是因为过滤磁5IBf=118A场较低时其对等离子体导向作用和约束作用随磁场增大而增大。过滤磁场较高时,离子导向中心对管道几何中心的偏离不大,导向作用已基本饱和,仅有对等离子体的约束作用随磁场升高而增大,所以,传输效率随管道磁场的增大不如磁场低时快。© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期王广甫等:过滤管道磁场在改进真空弧沉积系统中的作用23

16、33结论由于对等离子体的导向和压缩作用,磁过滤管道磁场升高,系统等离子体传输效率随之提高。但由于它对磁过滤管道和阴极之间阴极真空弧放电的抑制作用,使得系统阴极真空弧放电规模随管道磁场的升高而降低。由于以上两种作用的结果,沉积离子流强有一峰值。管道磁场低时,管道磁场对系统等离子体传输效率的影响占主导地位,靶上沉积离子流强随管道磁场升高而增大;过滤管道磁场较高、对等离子体的导向作用基本饱和时,它对过滤管道和阴极之间弧放电的抑制作用占主导地位,靶上沉积离子流强随管道磁场升高而降低。参考文献: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王广甫,聚焦磁场对系统弧放电和传输效率的影响J1北京师范大学学报(自然科学版),2000,36(3):3403431EffectsoftheFilteringDuctMagneticFieldinaModifiedVacuumArcDepositionApparatusWANGGuang2fu1,2,ZHANGHui2xing2(11CenterofAnalyticalandTesting,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;21InstituteofLowEnergyNuclearPhysics,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)Abstract:Whenthemagneticfilterductisbiasedpositively3060VrelativetothecathodeoftheMEVVAplasmasource,acathodicvacuumarcdischargeisge