籠網型空心陰極氬氣放電特性研究

真空電子技術 吳明忠 哈爾濱工業大學先進焊接與連接國家重點實驗室

  采用高功率脈沖電源,研究了氬氣氣氛下工作氣壓、脈沖電壓和頻率等參數對籠網型空心陰極放電特性的影響,并對等離子體發射光譜進行了分析。結果發現: 在脈沖電壓增加到一定程度,脈沖電流隨時間呈指數型(n > 1) 激增。提高工作氣壓、脈沖頻率及脈沖電壓,籠型空心陰極放電增強。脈沖峰值電流隨氣壓和脈沖電壓的升高而增大,但隨頻率增大呈現降低趨勢。光譜分析表明,氬氣籠型空心陰極放電主要物種是Ar* 和Ar + 粒子,隨脈沖電壓、工作氣壓及頻率的增大,Ar* 和Ar + 粒子數量增多。

  類金剛石(DLC,Diamond Like Carbon) 是一種廣受重視的多功能薄膜,迄今為止人們已經開發了多種DLC 膜的制備技術,如離子束沉積(IB) 、濺射(SP) 、陰極弧(CA) 、脈沖激光沉積(PLD) 、等離子增強化學氣相沉積(PECVD) 等。Catherine等在中頻低氣壓等離子化學氣相沉積DLC 膜(50kHz,CH4或C6H6,1 ~60 Pa) 增長機理的研究中發現,工件電流密度是更重要的參數,而不是工件偏壓。為提高DLC 膜的沉積速率和膜層質量,美國西南研究院( SwRI) 在等離子體浸沒離子注入( PIII,Plasma Immersion Ion Implantation) 的基礎上,將工件放入籠內,在鍍膜過程中籠內產生空心陰極效應,大大增加了等離子體密度和強度,開發出籠網等離子體浸沒離子沉積( meshed plasma immersion ion deposition,MPIID)技術。利用籠型空心陰極結構進行輝光放電,不僅可顯著提高工件電流密度,而且提高復雜形狀工件DLC 薄膜沉積的均勻性。

  在PECVD制備DLC工藝中,氬氣是一種常用的氣體,可以實現工件的濺射清洗,或作為碳氫氣體的稀釋劑,增強碳氫前驅體解離和離化,增大涂層的離子流轟擊及減少涂層中的氫含量,從而影響DLC薄膜沉積速率及性能。然而關于氬氣籠網型空心陰極放電特性的研究還未見報道,基于上述原因,本文采用高功率脈沖電源考察了氬氣氣氛下,工作氣壓及放電參數如脈沖電壓和放電頻率對籠型空心陰極放電電流的影響;同時利用等離子體光譜診斷技術,研究了氬氣空心陰極放電過程上述工藝參數變化與氬粒子譜線之間的關系,為DLC 鍍膜工藝優化奠定基礎。

  1、實驗方法

  實驗裝置見圖1,其中籠網型放電腔室采用201型不銹鋼網編成,尺寸為Φ200 mm × 300 mm,網眼大小為1 mm × 1 mm。放電激勵采用自行開發的高功率大電流脈沖電源( 注: 參數為5 kV/200A/1000Hz,該電源已經在多家單位運行) 。電源陽極接真空室( 即大地) ,陰極輸出線通過絕緣端子進入真空室與籠型放電室相連。脈沖電壓和電流波形從電源前端面板輸出到示波器,工作氣體為99.99% 的高純Ar 氣。

  籠型空心陰極輝光放電的等離子體光譜,利用AVANTES 公司生產的光譜儀進行測量。改變氣壓及放電參數( 電壓和頻率) ,獲得不同強度的發射光譜圖,最后采用Plasus Specline 軟件對譜線進行標定和分析。

籠網空心陰極放電實驗裝置示意圖

圖1 籠網空心陰極放電實驗裝置示意圖

  3、結論

  采用高功率脈沖電源,研究了氬氣工作氣壓、脈沖電壓和放電頻率等工藝參數對籠網型空心陰極放電特性的影響,結果表明:隨氬氣工作氣壓增大,籠型空心陰極放電擊穿電壓降低;提高氬氣氣壓、頻率及脈沖電壓,籠型空心陰極輝光增強,脈沖峰值電流隨氣壓或脈沖電壓的升高而增大,但隨頻率增大呈現降低趨勢。氬氣籠型空心陰極放電主要物種是Ar* 和Ar + 粒子。隨電壓、工作氣壓及頻率的增大,激活態氬粒子數量增多。這些研究將為籠網空心陰極利用以及高質量DLC 薄膜沉積奠定基礎。