新型陰極弧電源研制及脈沖增強電子發射(P3e)效應研究

真空電子技術 馬英鶴 哈爾濱工業大學

  本文研制了新型脈沖陰極弧電源,并實現了脈沖增強電子發射(P3e)以提高真空室內等離子體密度。該電源核心由脈沖發射和維持電流系統構成,由單片機和觸摸屏系統協同控制和管理。對P3e 電源進行放電特性和脈沖增強電子發射效應進行了研究。結果表明,在相同平均電弧電流條件下,與直流相比,P3e 技術能夠顯著提高工件(基體)脈沖電流與平均電流。在電弧平均電流90 A 時,基體脈沖電流由5 A 提高到19.6 A,基體平均電流由2.2 A 最大提高到4.6 A,表明脈沖增強了電子發射,進而獲得高的等離子體密度,這將有助于增加膜層致密性、降低膜層應力。該新型電源對于陰極弧靶中毒抑制、膜層結構改善、膜層顆粒污染控制具有重要的意義。

  陰極弧技術在眾多的物理氣相沉積技術中占據主導地位,以其離化率高、沉積速率高和膜基結合力好等優點而得到廣泛應用,尤其是在制備刀具薄膜方面。而隨著切削技術的快速發展,企業越來越需要兼具高硬度以及高溫化學穩定性的刀具薄膜,其中α-Al2O3 薄膜因其高硬度以及高溫化學惰性無疑是刀具薄膜中的佼佼者。α-Al2O3是氧化鋁中唯一的熱力學穩定相,而α-Al2O3 薄膜的形成一般需要高溫環境,因此常用化學氣相沉積(CVD)技術,但高溫限制了刀體材料的選擇,例如不能選擇高速鋼刀具,此外高溫還會造成薄膜產生較大熱應力,降低刀具壽命。因此,一些學者進行了低溫沉積α-Al2O3 薄膜的研究,但這些研究僅僅證明了α-Al2O3 可以在低溫生成,實際生產卻沒有應用。真空技術網(http://www.qbjic.club/)認為脈沖增強電子發射(P3e)電弧蒸發技術的出現,具有劃時代的意義。該技術在沉積α-Al2O3 薄膜過程中不但降低了沉積溫度,最重要的是該技術可以靈活控制電弧并具有大的工藝窗口。不僅如此,該技術在增強電子發射,提高等效等離子體密度,增加電弧穩定性和提高靶材利用率、減少大顆粒等方面具有獨特的優勢。國外有些公司和研究單位已經采用了這種先進的技術。國內在這方面的研究尚未見報道。鑒于該技術的先進性和有效性,借助實驗室較強的設備研發能力,我們獨立設計并研制出由單片機控制的新型脈沖增強電子發射(P3e)陰極弧電源,并對該電源的放電特性、脈沖增強電子發射效應進行了研究,為P3e 技術應用提供依據。

1、電源設計

  圖1 是P3e 電源的整體結構。電源主要由手動或程序模式的人機界面和單片機控制系統、脈沖和直流等單元構成。直流通過逆變技術實現,脈沖是在直流的基礎上經過脈沖單元實現。電源為恒流模式,具有過流保護、過熱控制、觸發保護和故障檢測等功能。

電源系統結構

圖1 電源系統結構

  研制的P3e 電源如圖2 所示。電源人機界面主要由三部分組成:(1)主控系統,主要包含電源開關、程序編輯和故障顯示等。程序編輯功能增加了電源的靈活性,如可以控制P3e 輸出連續式脈沖,也可以輸出間歇式脈沖;工藝流程可以選用手動模式“Mannual”和程序模式“Program”,選擇后者可以按照設置的工藝參數進行自動鍍膜控制;(2)P3e 脈沖控制,可以設定電流、頻率、脈寬等工藝參數,并顯示電壓和功率等常規參數。脈沖模式可以采用隨機模式和條件模式,即可實現P3e 工藝有條件開啟。如陰極弧靶正常工作時弧壓為V0,根據弧靶電壓與靶中毒關系來設定啟動電壓閾值(需要判斷自動熄弧和起弧的電壓變化),當弧靶中毒現象減弱或消失后,P3e 工作模式可有條件下暫停;(3)維持電流控制,陰極弧放電需要設置合適的維持電流,閉環控制恒流輸出,人機界面顯示電壓、電流和功率等參數。

自行研制的P3e 電源

圖2 自行研制的P3e 電源

2、P3e 放電特性

2.1、水負載測試

  用自行研制的P3e 電源首先在水負載中進行了電特性測試,圖3 給出了電流波形。圖3(a)為直流50 A,脈沖電流分別為100 A,200 A,300 A和400 A(脈寬400 μs,頻率300 Hz)電流波形。

 P3e 電流波形

圖3 P3e 電流波形

  可見,直流電流較為平直,而脈沖電流均為方波,且脈沖電流大小變化并未影響方波形狀,且上升沿速度基本不變。3(b)為直流50 A,脈沖寬度分別為200 μs,300 μs,400 μs 和500 μs(脈沖電流300 A,頻率300 Hz)電流波形。可見,脈寬增大時脈沖電流峰值平臺變化不大,且上升沿速度基本不變。3(c)為直流50 A,脈沖頻率分別為300 Hz,500 Hz,700 Hz 和900 Hz (脈沖電流150 A,脈寬400 μs)電流波形。頻增大即單位時間脈沖個數增多,由圖中清楚可見。雖然單位時間脈沖個數有所變化,但每一個脈沖電流波形基本不變。綜上分析,電源具有較好的輸出特性。

2.2、電弧負載測試

  用該電源作用于實際的陰極弧放電過程。圖4 為維持平均電流50 A,脈沖電流150 A,脈寬400 μs,不同頻率時電流波形。脈沖電流的上升時間變長,這與回路電感以及電弧負載特性有關,可以調整回路硬件設計。脈沖頻率變化對脈沖電流波形影響不大。

不同頻率下的電弧脈沖電流

圖4 不同頻率下的電弧脈沖電流

2.3、脈沖增強電子發射效應

  分別利用直流電源和研制的P3e 電源進行鈦靶弧放電,并記錄直流陰極弧放電時基體電流波形和P3e 陰極弧放電對應基體電流波形。放電氣壓為1.0 Pa,工作氣體為氬氣。基體連接脈沖偏壓電源,電壓-100 V,占空比50%。傳統直流電流90 A,整個P3e 電源系統輸出平均電流也為90 A,其中包括維持平均電流50 A 和脈沖平均電流40 A。為了研究脈沖增強電子發射效應,采用不同的P3e 電源脈沖參數,即保持維持平均電流50 A 不變,只變化脈沖電流同時相應變化占空比(脈寬500 μs 不變,改變頻率)來保持脈沖平均電流40 A,每一個P3e 脈沖電流對應一個基體放電電流。分別記錄直流陰極弧和不同脈沖參數P3e陰極弧對應基體電流波形,并在350 μs~450 μs時間內截取相應基體電流波形進行比較,結果見圖5。由圖可見,P3e 脈沖模式顯著增強電子發射,進而增加了基體的電流峰值。P3e 脈沖電流增大,基體電流峰值也增大,呈線性增大趨勢,脈沖電流300 A 時,基體峰值電流達到19.6 A,90 A 直流陰極弧對應的基體峰值電流僅為5 A,約為4 倍。

  在上述參數條件下,考察直流陰極弧和P3e陰極弧所對應的基體平均電流,見圖6。由圖可知,直流陰極弧基體獲得平均電流為2.2 A,而P3e陰極弧顯著提高了基體獲得電流。即陰極弧放電平均電流相同,但是基體收到的電流顯著增大到2 倍以上。這對于膜層致密化、降低應力具有重要的意義。有學者認為基體電流的增加是由于金屬離子價態的提高造成的。但Jürgen Ramm等人認為基體電流的增加主要原因是脈沖增強了電子發射,進而增強了工作氣體離化程度,并通過實驗數據證實了這一觀點。此外他們認為基體電流值對于脈沖參數很敏感。本文基體獲得電流在脈沖400 A 時略微減小,這可能與脈沖放電參數變化有關。在高電流條件下,為維持平均電流不變,需要采用較小的脈沖頻率,相當于單位時間脈沖個數減少,這將相對降低整體離化程度。

  當然脈沖電流增大可以提高離化程度,因此空間等離子體密度與脈沖放電參數有關。另外脈沖電流大小變化也會影響電流波形形狀,這部分因素分析正在進行中。

脈沖電流對基體電流的影響

圖5 脈沖電流對基體電流的影響

圖6 500 μs 脈寬條件下脈沖電流對基體平均電流的影響

  為了進一步驗證脈沖增強電子發射效果,同樣采用直流陰極弧90 A 和P3e 陰極弧90 A 分別進行鈦靶弧放電,放電氣壓為1.0 Pa,工作氣體為氬氣,基體加負偏壓-100 V,占空比50%。在兩種放電模式下分別進行基體平均電流測試,其中P3e電弧90 A 仍由維持平均電流50 A 和脈沖平均電流40 A 組成。P3e 電源維持平均電流為50 A 不變,僅改變脈沖參數,但不同的是P3e 脈沖參數中保持頻率不變,通過改變脈沖電流及相應脈寬來獲得脈沖平均電流40 A。每一個鈦靶脈沖放電電流對應一個基體平均電流值,分別記錄直流陰極弧和該參數下P3e 陰極弧所對應基體平均電流值并進行比較,結果如圖7 所示。由圖可知,又一次表明P3e 脈沖模式大大增大電子發射,進而增加了基體平均電流,由直流陰極弧基體平均電流2.2 A最大提高到P3e 模式的基體平均電流4.6 A。同樣,P3e 陰極弧隨脈沖電流增大,基體平均電流也表現為先增大后略微減小趨勢。此外脈沖電流小而脈沖頻率高對于獲得高的基體電流是不利的。

  P3e 脈沖放電期間增強了電子發射,增加了等離子體密度,這有利于膜層結構和質量的控制。實際上在脈沖放電結束后仍有較高的等離子體密度,這在基體電流上可以顯示出來。如圖8 所示,在脈沖關斷后50 μs 左右基體脈沖電流基本不變,隨后逐漸降低,直到脈沖關斷500 μs 后仍有較高的電流,結果基體獲得了較大的平均電流。可見P3e技術獲得了脈沖增強的電子發射,顯著增強了離化(氣體和金屬),為膜層質量優化提供了條件。事實上大電流脈沖技術還可以分散電弧斑點,有效降低大顆粒發射,這對于減少膜層缺陷具有重要的意義。同時由于大電流脈沖能夠有效凈化陰極表面,進而可以實現α-Al2O3 等薄膜的電弧源低溫沉積。

500 μs 脈寬條件下脈沖電流對基體平均電流的影響

圖7 920 Hz 頻率條件下脈沖電流對基體平均電流的影響

圖8 流過基體電流

3、結論

  獨立設計并研制了脈沖增強電子發射(P3e)陰極弧電源,在水負載和電弧負載條件下測試輸出,結果表明設備穩定可靠。在陰極弧電源平均輸出電流相等的條件下,P3e 脈沖技術可以獲得更大的基體電流,表明脈沖增強了電子發射,粒子離化率的顯著增強。在平均電流90 A,脈沖電流300 A 的條件下,基體電流峰值由5 A 可上升為19.6 A,而基體平均電流由2.2 A 提高到4.6 A,這說明P3e 技術顯著增強了離化。不僅如此,這種P3e 技術在α-Al2O3 低溫陰極弧沉積、膜層大顆粒減少等方面均具有重要的價值。