利用朗缪尔双探针诊断电弧离子镀等离子体参数(2)

2、等离子体诊断实验

　　诊断实验在Bulat6型电弧离子镀沉积系统上进行。如图2所示,沉积室为直径500mm ,高500mm平放的圆柱型腔体,两个对向分布的Ti 靶位于腔体两端,置于旋转轴之上可水平旋转的基片台位于腔体的底部中央 。Bulat6 型电弧离子镀的基本过程为,首先通过真空系统获得真空,而后通入工作气体(惰性气体氩或其他反应气体) 并维持一定的真空度,再通过引弧系统点燃弧靶电弧获得金属的等离子体,该等离子体产生于靶材端面,但在靶端附近的线圈磁场的作用下,被定向聚焦并滤去一部分大颗粒后被连续传输到沉积室中,这部分的等离子体会与先前通入的工作气体相互作用(主要是等离子体中的带电粒子与气体分子、原子的碰撞) ,共同形成相对稳定的用于薄膜沉积的工作等离子体。此时在基片台上若放置工件,在工件表面就会沉积出薄膜,为了提高薄膜的致密度和结合力,往往在基片台上施加负偏压,可以提高沉积粒子的能量。由于电弧蒸发具有高离化率(70 %～80 %) 特征,因此电弧离子镀一般具有很高的等离子体密度,从而决定了它具有很高的沉积速率。对于电弧离子镀的工艺过程,工作等离子体的状态和各项参数至关重要,为了专门诊断工作等离子体的状态和参数,本实验将双探针布置于真空室的中部,为两根直径0.2mm 的钨丝,各自长5mm 的部分暴露在等离子体中。为了避免薄膜沉积造成探针与支撑管短路,探针由位于支撑管深处的绝缘套管固定,与支撑管之间留有缝隙(图3) 。实验对70A～110A 弧电流和0.3Pa～0.7Pa气压范围内等离子体参数的变化进行了诊断,并研究了使用双靶(图2) 和改变气体对放电的影响。

图2 　电弧离子镀设备示意图 　图3 　探针头结构示意图

3、诊断实验结果

　　图4 是典型的电弧离子镀等离子体I-V特性曲线(放电条件为单靶弧流80A ,氮气压0.3Pa) 及离散傅里叶变换(DFT) 平滑处理后的结果。图中原始数据是500 次测量的平均值,数据波动仍然十分显著,难以直接用于计算等离子体参数。由图可见,离散傅里叶变换平滑处理的效果非常明显,平滑处理后的曲线与原始数据变化趋势吻合得很好。

图4 　I-V 曲线经DFT处理前后对比图　图5 不同靶电流下,等离子体的电子密度Ne 和电子温度Te 的分布情况

　　图5 所示为单靶和双靶放电条件下等离子体电子密度和电子温度随弧电流的变化。放电气体为氩气,气压保持0.3Pa不变。由图可见,等离子体电子密度在～10¹¹cm^{- 3}数量级,随着弧电流的增大而单调增大。双靶放电的等离子体电子密度明显高于单靶放电的情况。另一方面,电子温度数值为～2eV左右,随着弧电流的增大变化不明显。对比单靶放电时的情况,双靶放电时的电子温度略高。

　　图6 所示为双靶弧电流80A 条件下,不同气体及气压对等离子体电子密度和电子温度的影响。数据显示,0.3Pa～0.7Pa 范围内,等离子体电子密度随气压的增大略有增大,而电子温度随着气压的增大变化不明显。此外,改变气体(氮气或氩气) 对等离子体电子密度和电子温度没有显著影响。

图6 　不同气压下,等离子体的电子密度Ne和电子温度Te的分布情况

4、结论

　　利用朗缪尔双探针对电弧离子镀等离子体进行了诊断。双探针收集电流小(小于离子饱和电流) ,使探针能够在高密度的电弧离子镀等离子体中持续稳定地工作。利用离散傅里叶变换(DFT)对测量曲线进行平滑,有效地克服了电弧离子镀等离子体放电所固有的强烈波动。探针端部设计能够避免由薄膜沉积造成的探针与支撑杆短路问题。结果表明,实验中电弧离子镀等离子体的电子密度在10¹¹ ·cm^-3数量级,等离子体电子密度随弧电流和气压的增加而增加;电子温度的值～2eV,随着弧电流和气压变化不明显。另外,使用双靶放电等离子体电子密度和电子温度高于单靶放电。实验结果验证了用双探针电弧离子镀等离子体诊断手段的可行性,所提供的电弧离子镀等离子体的基本参数对于材料涂层工艺研究具有积极意义。