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磁过滤真空弧沉积中过滤管道的第二阳极作用研究
作者:管理员    发布于:2015-06-10 14:06:38    文字:【】【】【

  核技术磁过滤真空弧沉积中过滤管道的第阳极作用研究王广甫1张荟星1 1北京师范大学低能核物理研究所北京1008752北京师范大学分析测试中心北京100875明,磁过滤管道在阴极真空弧沉积中不仅起到消除大颗粒的作用,还作为阴极真空弧放电的第阳极对弧放电产生影响。给出了磁过滤阴极真空弧放电的等效电路,并用此电路对磁过滤阴极真空弧放电中的部分实验现象进行了解释。

  阴极真空弧沉积由于具有放电稳定阴极材料蒸发速度快等离子体离化率高和沉积离子能量高。可通过在衬收上加1偏压使沉枳能请在大范围可调节等优点。成为种重要的薄脱制备技术。

  但在产卞高密度高电离度的阴极村料等离子体的同时。阴极真宁弧放电也会产生人量尺寸为0.01的大颗粒。这些大颗粒会镶嵌在薄膜中或散布于薄膜面,从而大大降低了薄膜的物理化学性能,因此限制了阴极真空弧沉积技术的应用和发展。

  为消除阴极真空弧等离子体沉积中的大颗粒污染,人们采用了多种方法。其中,90度磁过滤方法为成功1这种方法采叫个具有轴向磁场管壁加有20正偏压偏转90度的弧形管来消除大颗粒污染2.带有大颗粒的等离子体通过这种磁过滤管道时,磁化的电子沿磁力线运动。而离子在等离子体内部屯场作1下也将1屯子同沿磁力线运动,从而使等离子体通过过滤管道而+带电的大颗粒在管道中+受磁场作用而沉积到管道内壁。

  许多作者8对等离子体在磁过滤管道的传输过程进行了实验和计算机模拟研宄。但对于磁过滤管道对磁过滤阴极真空弧沉积系统的弧放电的影响却少见报道。本文介绍了台磁过滤真空弧沉积装置,并对磁过滤管道对系统弧放电的影响进行了初步的实验研究。实验发现磁过滤管道在消除大颗粒污染的同时,也对阴极真空弧放电产生影响,其作用相当于河人等离子体源的第阳极。

  过滤符逍的第阳极作用进行了论电路模拟结果实验结果致。

  1实验装置实验装置由,人等离子体源磁过滤管道和沉积靶室3部分组成1.台第作者王广甫,男,14年出生,1999年毕业于北京师范大学凝聚态物理专业,副研究员,获博士学位人等离子体源用来产生等离子体。肘人源工作于脉冲状态,阴极直径为2,阳极孔径为68mm.主弧脉冲宽度为2,5ms,脉冲触发频率225Hz连续可调。MEVVA源的聚焦磁场由阳极筒外所绕线包产生。线包由个O30V,O的直流电源供电,可在阳极中心产生,的磁场。肘人源产生的阴极材料等离子体经偏转90度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94mm,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。线包由个5人的直流电源供电,可在管道中心产生O38mT的轴向磁场。MEVVA等离子体源阳极接地,磁过滤管道相对厘1源阳极可加060的正偏压。正偏压电源电容为105叩,这主要是为保持正偏压的稳定。因为起弧后打到管道内壁的电流很大,可达上百安培。

  为考察磁过滤真空弧沉积系统的弧放电情况,在弧放电回路串联了采样电阻分流器。

  两个10A75mV的采样电阻分别用来测量MEVVA源阳极电流和磁过滤管道电流。个20A75mV的分流器用来测量MEVVA源阴极电流即系统阴极真空弧放电总电流。实验过程中,系统真空好于4,39采用丁阴极。

  2实验结果及讨论21过滤管道的第阳极作用在1测量电路下,对聚焦磁场对弧源阴极和阳极电流的影响进行了测量,结果2.显然,在阽人源弧压电源为70时,阳极电流随聚焦磁场的升高降低很快,并在焦磁场电流为0.6入时几乎降到了零。而弧源阴极电流明显高于阳极电流,并且在阳极电19942014ChinaAcademicJournalElectronic流降到零后,仍能保持较大数值。这说明阳极和阴极间的弧放电规模随聚焦磁场增大而减小,并终灭弧。阳极和阴极间的弧放电灭弧后,阴极弧放电仍能保持,说明另有其他弧放电回路。而这只能是同过滤管道相对肘人源阴极加正偏压时在磁过滤管道和阴极间产生了弧放电。也就是说磁过滤管道在磁过滤阴极真空弧沉积系统中不仅起到消除大颗粒的作用,而且作为阴极真空弧放电的第阳极也对阴极真空弧放电产生影响。

  为进步证实磁过滤管道的第阳极作用,在贼源的弧压电源为120聚焦磁场电流为0.8人磁过滤管道磁场电流为1.2和管道偏压电源输出为30时,我们在弧放电过程中断开贼人弧压电=源和磁过滤管道正偏压电源同阳极接线,即1中采样电阻同贼人等离子体源阳极的连接点人。结果是系统仍保持稳定弧放电状态,且MEVVA源阴极电流和磁过滤管道电流均无变化,同时靶上沉积电流也没有减小。结合2阳极电流为零的结果,可以肯定地说磁过滤管道和阴极之对弧源阳极电流和阴极电流的影响间产生了阴极真空弧放电;并且在较高聚plasouroewhhOVarcwltage焦磁场下,系统弧放电主要产生在第阳极即磁过滤管道和阴极这弧放电回路,而肘源原有阳极几乎不再起阳极作用。

  磁过滤管道和阴极之间产生阴极弧放电主要是因为,当正偏压加在过滤管道和阳极之间时,过滤管道通过正偏压电源接在了阳极上,打在管道上的电子可以通过偏压电源到达阳极,然后通过弧压电源返回贼人源阴极。从而沟通弧放电回路。

  2.2管道正偏压对系统弧放电的影响般认为,磁过滤管道正偏压的作用主要是在管道内壁产生等离子鞘层,从而对电子和离子弧放电的影响却没有被人们重视。而由于上面证实的磁过滤管道的第阳极作用,管道正偏压对阴极真空弧放电的影响是不容忽视的。

  磁过滤管道正偏压对贼人等离子体源阳极和阴极电流的影响3.很显然,磁过滤管道正偏压不仅影响等离子体在管道内的传输,而且对系统弧放电也有较大的影响。从3可以知道,随磁过滤管道正偏压的增大,肘源阴极电流增大,也就是系统弧放电总电流代弧放电规模增大。而阳极电流也就是厘源阳极和阴极之间的弧放电电流却随磁过滤管道正偏压对弧源阳极电流和阴极电流的影响码费,两糊心毙厉到邓酬髓哮愚厉龄升腾怼管道和阴极之间的弧放电来说。相当于增大弧=而对于弧源1极和阴极间的弧放屯来说,山于管道正偏压增大,流经弧压电源的弧流增大,弧压电源内阻的压降增大。因此阳极和阴极间弧压降低,造成阳极阴极间弧放电规模变小,阳极电流降低。

  3系统弧放电的等效电路及讨论3.1磁过滤阴极真空弧放电的等效电路磁过滤阴极真空弧的放电过程不同于普通弧源沉积装置的弧放电过程。因为此时相当于存在两个阳极,并且第阳极磁过滤管道和阴极之间的弧放电回路是由第阳极,入源阳极的弧压电源和管道正偏压电源串联起来进行供电的。为了对磁过滤阴极真空弧放电过程及其两个弧放电回路之间的相互影响有个较清楚的认识,我们用4的电路来等效磁过滤阴极真空弧沉积系统的弧放电过程。

  电源,1代此电源的内阻;2代磁过滤管道正偏压电源代其内阻代阳极和阴极间等离子体电阻心代过滤管道和阴极间的弧放电等离子体电阻。在添人源阳极和阴极之间加上极管是为明河人等离子体源不可能出现从阴极到阳极的正电流。这模拟电4磁过滤阴极真空弧沉积系统弧放电过程等效电路The路假定肘人源阳极发射的次电子打到过滤管道上形成的电流与管道和阴极间的弧放电电流相比可以忽略。中为系统弧放电的总弧流,1为阳极和阴极间弧放电电流,2为管道和阴极间弧放电电流。显然将1和作为未知数,解此儿次方程可得,SiRr3.2等效电路的应用利用这等效电路可以解释前面的实验现象首先,随管道偏压2升高,管道和阴极之间政当时⑴此时由尸阳极和明极之间出现断弧因此心为无穷大。

  代入5式和6式可得这相当于3中,过滤管道正偏压大于等于20的情况。

  另外,从公式7可得,=,时,20.这说明即使管道正偏压为零,由于管道通过正偏压电源接在阳极上,起弧前磁过滤管道同阳极同电位,在管道和阴极间也有弧放电产生。也就是说,磁过滤管道无论在管道正偏压是多大时,总是起阴极真空弧放电第阳极的作用,而1源故信阳极却在纪情况丧失了其阳极作用。

  将2和对心求偏导,可得叫1回路都产化弧放屯时,肓,所以,和七虑到等离子体横向电阻随磁场升而增大4.从如上结果,可以得到如下结论随聚焦磁场升高,阳极弧流和系统总弧流减小,而管道和阴极间弧流增大。这对应于2中聚焦磁场电流0.

  5人时的情况,当eode,时,=由7式可知此时,磁过滤管道电流和阴极电流相等且都随心增大而减小。这可用来解释2中聚焦磁场电流大于0.5人时实验结果。因为聚焦磁场电流,大,磁场对磁过滤管道和阴极之间弧放电产生的等离子体压缩作用增强,心随之增大。所以系统总弧流随聚焦磁场电流升高而降低。

  4结论通过实验明磁过滤管道在磁过滤阴极真空弧沉积系统中不仅起到消除大颗粒的作用,而。作为阴极真空弧放电的第阳极对阴极真中弧放电产生影响给出了磁过滤阴极真空弧沉积系统弧放电的等效电路,并用此电路对磁过滤阴极真空弧放电进行了分析,很好地解释了磁过滤管道的第阳极作用。并且电路模拟结果同实验结果致。通过等效电路分析,可以知道当2 2+r2E1时,弧源阳极和阴极间没有弧放电产生。此时系统的阴极真空弧放电完全由磁过滤管道和阴极之间的弧放电维持。而实验明3在磁过滤正偏压通常工作的20,佟瓯人源阳极己丧失了本来的阳极作用。这是否而18付磁过滤阴极孔空弧沉积系统的计讲几模拟明叫极离磁过滤管道越远,系统传输效4低1这使我们产生种设想缩短极,甚至取消极,而以磁过滤符道作为极可

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