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磁场对多弧镀膜机靶电弧燃烧稳定性的影响-广东振华真空镀膜设备

多弧镀膜机靶源的真空电弧放电是以热电子发射为辅,场致发射为主。场致发射是靠靶面前的空间电荷产生所需的强电场的。这种电弧放电的离化率相当高,一般为60%-90%离化率,在真空镀膜室内,特别是靶面附近,基本上是完全的等离子体。由于磁场对带电粒子运动的影响很大,从而导致真空电弧将受磁场的控制。

多弧镀膜机

多弧镀膜机在无外加磁场情况下,堆团状的阴极弧斑在靶面上无规则运动,这时电弧燃烧极不稳定,靶面刻蚀极为粗糙且时常灭弧。

在靶面附近加一非轴对称磁场且磁力线平行于靶面的情况下,弧斑亦为堆团状,其运动是沿一个方向(与磁场方向有关),最后停留于靶面外沿一点至灭弧。

当靶面处加一相对于靶面轴对称的磁场时,堆团状弧斑消失,弧斑在靶面上绕靶轴心作旋转运动,形成几条微细的弧环。这种情况下的放电稳定性较好,在多弧镀膜机的阴极靶面上,弧斑位置受磁场控制,靶面处电弧燃烧比较稳定的地方也就是磁场最强的地方。

在多弧镀膜机没有外加磁场的情况下,阴极电弧为堆团状。产生这种堆团状弧斑的原因有二点:其一是电弧本身产生的自磁压缩,类似于两根平行导线通过同向电流一样,相互作用力互相吸引。其二是由于弧斑的集中,使弧斑下的阴极靶面温度极高,产生大量的热电子发射,导致弧斑的再集中。这种情况下的弧斑造成靶面的局部熔化,大量蒸发,甚至产生金属液滴的飞溅,靶面产生大量的弧坑,同时影响膜层质量。这种无规则运动的弧斑很容易移到非蒸发面造成电弧的熄灭。

当多弧镀膜机的靶面附近加一平行靶面的磁场时,在磁场作用下带电粒子只受到一个方向力的作用,导致弧斑沿一个方向运动且迅速停留在靶边沿一点,最后熄灭。

多弧镀膜机靶面附近加一轴对称磁场的情况就不同了,由于这时磁场既有轴向分量,又有径向分量,靶面附近的带电粒子(从靶面蒸发出来及被电离的)一般其初速度方向与靶面垂直,在磁场径向分量的作用下及粒子间的相互碰撞,使带电粒子产生径向和周向运动,这样增加了带电粒子在空间的运动路程,使其有更多的碰撞、电离机会,同时也改变了空间电荷在靶面前的分布,使其按磁场分布而分布,前两种情况下的堆团状弧斑分散成均匀的环状弧斑。另一方面,弧电流的周向分量与磁场的径向分量作用形成稳弧力,结果使堆积靶面前的空间电荷更加接近靶面,形成强大电场,维持电弧的正常燃烧。

多弧镀膜机的磁场设置是否合理,直接影响到设备内部多弧靶工作的特性。不仅如此,镀膜机磁场还可提高阴极与阳极间的电势,使从阴极靶源释放出的原子数目和粒子束通量密度增加,从而导致多弧靶源沉积率增加,同时磁场还能改善真空多弧靶源产生的离子束的方向。