‘无触发’磁过滤式阴极真空弧等离子体源

　　不同种类的阴极真空弧源现在被广泛应用于薄膜沉积和金属离子注入系统中，诸如直流和脉冲真空弧等离子体源以及EVVA离子源2等。

　　然而，阴极弧中的等离子体包含了大量未电离的液滴或固体颗粒，统称为人颗粒由丁人颗粒的存在，它将显著降低薄膜沉积质量，同时也使EVVA离子源的稳定性和离子注入效果降低，尤其在半导体应用方面。

　　闪此，些大颗粒过滤方法4被用于阴极真空弧沉积系统中。

　　我们知道产生阴极真空弧的第步是真空弧触发所有的触发机理都是在阴极面产生初始的等离子体，即阴极斑，然后在阴极和阳极间建立起稳定的弧放电，且维持弧放电的电压可以相当低。常规的触发真空弧的方法有机械分离高压击穿和激光触发等。上述方法需要个触发电极或在阴极面施加额外的能量增强。1998年人加和他的同事61研制出了种新的无触发真空弧点燃。这里的无触发是指无触发电极和低压点燃真空弧。

　　实验设置源示意⑴阴极，⑵BN绝缘子，⑶阳极，冰14弯管5线圈。A主弧电源，B弧电源，线阖电源。

　　我们研制的无触发磁过滤式脉冲阴极真空弧等离子体源结构和电源示意1.它主要由以下几部分组成水冷可推进式阴极，水冷阳极，8绝缘子，14环弯管和磁场线圈。其中阴极结构与我们研制的离子源7中的相似，可推进式阴极由个小型电机通过齿轮变速驱动以补偿真空弧对阴极材料的烧蚀。阳极为水冷不锈钢圆筒，它与BN绝缘子相连。BN绝缘子用于隔离并连接阴极和阳极，绝缘子外面涂层很薄的导电膜，导电膜的材料般与阴极材料相同，这样保证了真空弧放电产生的金属等离子体中无不需要的杂质离子。为有效地去除大颗粒，我们采用了14磁过滤弯管作为人颗粒的过滤器，它直接安装在阳极后面。14环弯管的人半径和小半径分别为181和80.在磁过滤弯管的出口下方装有直径100nl的平板探针用丁测等离子体中的离子电流，探针相对于阳极电位被施以负偏压。从1还可以看出，该等离子体源有个主要电源主弧电源，电压从0到200伏可调；预弧电源，电压从0到1000伏可调；线圈电源，电压从0到50伏可调。为减少等离子体在磁过滤弯管输运中的损失，90度过滤弯管往往被施力只数十伏的正偏压。

　　在常规的离子源中，真空弧的触发是用数千伏的高屯压在阴极和触发电极间通过绝缘子面放电，在阴极面产生阴极斑。该结构相对复杂，电源成本相对较高。该等离子体源由于去掉了触发电极，而将阳极直接通过绝缘子与阴极相接。由子8绝缘子的外面涂有导电层，且导电层电阻保持在数十到数百欧姆，同时使阴极绝缘子和极之间没有间隙。因此，可以使阴极和阳极之间的电阻降至小于认。这使阳极电位非常接近阴极电位。因此，数百伏的电弧电压就可以点燃真空弧。从1可以看出，我们在主弧电源上并接了个预弧电源，它们之间通过个极管隔开。预弧电源的主要作用是提升阴极和阳极之间的点火电压以保证可靠触发真空弧，这是由于阴极和阳极之间的电阻往往会由于某些原因而增加。在我们的实验中，无触发脉冲真空弧放电在400800预弧电压下很容易触发，弧放电1作在脉冲方式，脉冲宽度可以在15之间调节，重复频率。

　　去除弧放电产生的等离子体中大颗粒的方法很多8.在这个等离子体源中，我们采用了14磁弯管过滤器。在14弯管外缠绕单层大半径处螺旋线圈，用于在弯管内产生环形磁场。通过线圈电源产生的磁场也工作在脉冲模式，脉冲宽度7.弧脉冲和线圈脉冲的顺序线圈脉冲必须提前4.51以便在真空弧放电期间获得稳定的磁场。

　　结果和讨论在这个实验中，我们用丁作为阴极材料。8绝缘子的外面也通过离镀沉积了层丁1膜。导屯丁膜的面电阻般在几十到数百欧姆，但是对丁个新装配的等离子体源中，阴极绝缘子和阳极之间可能存在阁2总离了流随环形磁场的变化，弯管电弯管电压环形磁场3某些间隙，结将导致阴极和R极之间的屯阻增加儿k到数十k.此时，预弧屯源的提升屯压必须增加到1000左。在本实验中，预弧电源可以保证稳定可靠的弧放屯。

　　在，离十体流的游安装的平板探针闽丁测呈总离子流峰值。平板探针相对厂地为负偏压，在本实验中1电压可以保证获得饱和离子流。我们测铽了磁过滤弯管产生的环形磁场和弯管电压的变化对总离子流峰俏的影响，结果2和3.主耍实验参数为提升电压400，弧作100，弧流240，弧脉冲宽度2呢，线圈脉冲宽度7阳，重复频率41.阁2显示了总离流随环形磁场此处指中心磁场的变化。3砬示了总离流随弯管电压的变化。从2和3中可以看出，在70的弯管屯乐和丁环形磁感应强度可获得人的总离子流。

　　总离子流弧流和线圈屯流的脉冲波形由示波器丁5测试，果43和叫。线圈电流脉冲必须比弧脉冲提前4.5以使弧放电期间的环形磁场娃稳定的。我们可以看出，线圈电流不仅比弧流提前到来，而且滞后于弧放屯。这使得整个弧放电期间离子束流都很稳定。

　　饱和离子流与弧流的大比值可达到2.5.在硅片上沉积的丁膜的微结构5，在它的81中没有明显的大颗粒存在。

　　结论通过上述实验结果和分析，我们得出以下儿个结论无触发磁过滤式脉冲阴极真空弧等离子体源由于其结构简单且无大颗粒，因此能广泛应用于薄膜沉积和离子注入系统。

　　没有触发电极，在我们的实验中真空弧仍稳定和可靠地点燃，提升电压是必须的。

　　等离子体输运效率依赖于环形磁场和弯管电压。在30环形磁场和70弯管电压下，饱和离子流与弧流之比的人值可以达到4弧脉冲宽度15和频率沿河在较宽的范内改变。