真空阴极电弧离子源磁场分析与设计

蒋 钊，唐德礼，陈庆川，周 晖，肖更竭，郑 军，马占吉，杨拉毛草（.兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州 730000；.核工业西南物理研究院，成都 6004）

0 引言

真空阴极电弧离子镀（Vacuum Cathode Arc Ion Plating）简称真空电弧沉积（Vacuum Arc Deposition，VAD），国内亦称多弧离子镀技术，是利用真空腔室内阴极靶材与阳极间的弧光放电，使靶材蒸发并离化，形成空间等离子体，从而将镀膜材料沉积在工件表面的过程[1-3]。在VAD设备中，用于产生电弧等离子体并实现等离子体输运的部件统称为真空阴极电弧离子源（简称弧源）。弧源的性能是决定VAD设备整体工作性能和稳定运行的关键[4-5]。

弧源的放电过程是基于“冷阴极场电子发射”理论，在阴极靶面附近堆积正离子电荷层，形成106～108V/m高场强，引起场致发射大量电子，电子碰撞导致阴极靶面电离击穿，从而产生弧斑并自持放电的过程。阴极弧斑尺寸微小，但电流密度很大，产生的焦耳热使弧斑处局部温升，形成金属熔池，向外发射大量的带电粒子、中性原子甚至喷射金属液滴[6-7]，如图1所示。液滴的喷射会导致工件表面大颗粒污染，严重影响镀膜质量[8-9]。由于电弧等离子体具有良好的导电性，可与磁场相互作用，为磁场控制弧斑的位置、形态以及运动提供了可行性。先进的大型VAD设备，常配备尺寸较大的圆形平面、矩形平面或圆柱面弧源[10]，这时必须引入受控电弧（Steered-arc）技术[11-12]。附加磁场作为VAD设备中不可或缺的组件，可以对阴极靶面的弧斑进行约束和控制，通过合理设计磁场构型，加快弧斑跳行速度，使得弧斑细碎，降低局部升温，从而减少大液滴的发射，保证镀膜工艺稳定和膜层细致[13-15]。

图1 弧源大液滴发射Fig.1 macroparticle emission from cathode arc sources

图2为一种自主开发的圆形平面弧源磁场构型示意图。附加磁场采用永磁复合电磁结构，通过调节电磁场，可形成耦合磁场，实现阴极靶面径向磁场和轴向磁场的强弱调控，从而控制弧斑在靶面的运动形态，使得磁场强度得到参数化的精确调节，改善靶材的刻蚀情况，提高靶材利用率以及镀膜质量。

图2 复合磁场构型示意图Fig.2 sketch of compound magnetic field structure

1 磁场组件对弧斑的作用分析

针对弧源系统而言，一方面磁场组件在阴极靶面以及放电空间内产生的是非均匀的磁场，另一方面放电过程中的弧斑所发射的粒子以离子、电子、中性原子以及液滴的集合形态存在，基于这两方面的因素，使得对在实际放电过程中磁场作用于弧斑运动的分析变得复杂。

考虑到阴极靶面上确定位置的磁场属性是确定的，同时，基于电弧稳态放电时，阴极弧斑内的粒子数目及粒子的相互碰撞达到动态平衡的假设，可将弧斑看成是一个由离子、电子、中性原子构成的质点。根据质点的受力状况，就可以分析推断粒子的运动情况。

根据弧源系统的结构设计要求，磁场组件与圆形靶材同轴布置，磁场组件将产生一个轴对称磁场，阴极靶面上的磁场可分解为径向分量Br和轴向分量Bz；同时，带电粒子的速度也可以分解为径向分量vr与轴向分量vz。为简化分析，以电子为例，对其在轴对称磁场中的受力方向进行说明，如图3所示。

图3电子在磁场中的受力方向图Fig.3 electron by the force direction in magnetic field

（1）磁场轴向分量Bz与电子径向速度vr（弧电流）正交，产生的洛伦兹力作用使得电子产生旋转运动，受力的表达式为：

式中：Fθ1为驱动电子产生旋转运动的周向力，N；q为电子带电量，C。

同理，磁场径向分量Br与电子轴向速度vz作用而产生周向力Fθ2，周向力Fθ1与周向力Fθ2都使得电子产生周向运动速度vθ，即沿着回转半径的径向旋转，周向速度又分别与磁场径向分量Br、磁场轴向分量Bz正交，产生了洛伦兹力作用。

（2）磁场径向分量Br与电子周向速度vθ正交，产生的洛伦兹力作用使得电子指向靶面运动，产生稳弧的作用，受力的表达式为：

（3）磁场轴向分量Bz与电子周向速度vθ正交，产生的洛伦兹力作用使得电子在靶面径向运动，产生径向推动的作用，受力的表达式为：

同样，对于正离子而言，也受到这四种不同洛伦兹力的作用，由于所带电性相反，两个周向力方向相反，但稳弧作用力与径向推动作用力的方向相同。

经过分析，周向力的作用使得粒子在靶面做旋转运动，在空间的运动路径变大，有更多的机会碰撞、电离，在宏观上表现出弧斑细化分离，运动速度加快；稳弧力使得电荷束缚在相对确定的位置上，稳定弧斑在靶面区域内自持放电并移动；径向推力能够控制弧斑在靶面沿径向移动，使得靶面刻蚀均匀。

2 靶面磁场的仿真分析

采用永磁铁氧体产生弧源磁场，主要是因为退磁场温度高，磁性能稳定，可加工成磁环与靶材同轴安装在靶底座上。电磁线圈采用1.2 mm2的漆包铜线逐层绕制共1 000匝而成。线圈电源采用双极直流电源，线圈电流为0～5 A，磁场强弱通过线圈中电流大小来调节，复合永磁形成轴对称磁场，可通过计算机进行轴对称二维仿真分析。

2.1 同向磁场耦合分布

当线圈电流为2 A时，永磁场与电磁场磁极同向，磁场为耦合加强，改变了单一永磁磁场的位形和磁场强度，靶面磁场总体呈轴对称发散分布，轴向磁场和径向磁场都得到加强（如图4所示），尤其是轴向磁场分量增幅更大，有利于束缚弧斑在靶面中心的运动行为，增大弧斑在靶面中心周围的刻蚀概率。

图4 永磁+电磁（I=2 A）磁场分布仿真结果图Fig.4 Simulation result of permanent magnet coupling electromagnet field（I=2 A）distribution

由于离子从脱离靶面输运到沉积区需要一定 的磁场力作用，这个磁场应尽可能的大并且均匀，才会提高膜层沉积的均匀性，并对弧斑的运动起到良好的保障。随着轴向磁场的减弱，径向磁场的增强（如图5所示），弧斑以一定的线速度扩展，同时以一定的角速度旋转。虽然弧斑还是能运动至靶面边沿，但累积刻蚀后，相对单一永磁场作用下的靶面刻蚀均匀性较好。

图5 仿真分析结果（I=2 A）图Fig.5 result of Bz/Brsimulation analysis（I=2 A）

2.2 反向磁场耦合分布

当线圈电流为-2 A时，永磁场与电磁场磁极相反，磁场为耦合消弱，改变了单一永磁磁场的位形和磁场强度，在距靶面中心约30 mm的范围内有指向靶中心的磁力线（如图6所示），使得在靶面上形成一个磁聚焦，在磁场作用下，磁力线与靶面成锐角磁场，由锐角定则可知，当弧斑运动到距靶中心30 mm时，继续向靶中心运动，不会跑离靶材而导致灭弧。

图6 永磁+电磁（I=-2 A）磁场分布仿真结果图Fig.6 Simulation result of permanent magnet coupling electromagnet field（I=-2 A）distribution

阴极靶面径向磁场分量Br的变化规律如图7所示。Br的绝对值表示磁感应强度的大小，而其正负性代表其磁场分量的方向。当磁场的数值为正时，表示径向磁场方向向右；磁场数值为负时，表示该处径向磁场方向向左；在靶中心位置，径向磁场分量为0。从径向磁场分量变化规律可得出，阴极靶面的径向磁场分量Br在距靶中心约30 mm范围内数值为负，弧斑运行方向指向靶中心，这与图7向靶中心聚拢的磁力线分布相吻合，有效的形成了一个聚焦磁场。

图7 Bz/Br仿真分析结果（I=-2 A）图Fig.7 The result of Bz/Br simulation analysis（I=-2 A）

当线圈电流为-3 A时，永磁场与电磁场磁极相反，磁场为耦合消弱，由于电流增大，反向电磁场强度相应加强，导致整个靶面的轴向磁场和径向磁场分量都为负值（如图8和图9所示），且相比线圈电流为-2A时磁感应强度增大，该磁场分布使得弧斑运动方向都指向靶中心，弧斑运动向靶中心汇聚，弧斑聚焦效应更强。

图8 永磁+电磁（I=-3 A）磁场分布仿真结果图Fig.8 Simulation result of permanent magnet coupling electromagnet field（I=-3 A）distribution

图9 Bz/Br仿真分析结果（I=-3 A）图Fig.9 the result of Bz/Br simulation analysis（I=-3 A）

综上分析，可根据弧斑的运行轨迹和靶材累积刻蚀消耗情况，选择永磁场和电磁场配合使用。在永磁场作用下，如出现弧斑运动速度减小，偶有断弧灭弧现象，可复合电磁场，选择线圈电源直流正向输出，磁场耦合形成增强的轴对称发散磁场，弧斑运动速度加快，运动范围变大，弧斑细化分裂，电流密度降低，从而降低局部高温加热的影响，减小熔池面积，降低液滴的发射，增加放电稳定性，又可提高膜层的沉积速率；如靶材边缘刻蚀效应加剧，可复合反向电磁场，选择线圈电源直流负向输出，调节电流输出大小，磁场耦合形成轴对称汇聚磁场，可约束弧斑运动，抑制跑弧，驱动弧斑指向靶面中心运动，减少靶面边缘局部刻蚀，改善靶材的刻蚀均匀性，提高靶材利用率。

3 磁场对弧斑作用的实验结果分析

从实验结果可以看出，当无磁场组件时，如图10（a）所示，弧斑表现为覆盖面积较大并且具有高亮度的孤立斑点，斑点在靶面作无规则的随机运动，这表明阴极弧斑在某固定位置驻留时间较长，弧斑尺寸较大，承载电流高，易形成液态熔池，使得温度高度集中，产生爆破式的液滴喷溅。当附加磁场组件时，如图10（b）所示，弧斑呈现出旋转的运动趋势，弧斑细化分裂，运动范围变大，弧斑轨迹变成弧斑线。

图10 弧斑运动轨迹图像Fig.10 Images of cathode spots motion trajectory

在磁场位形和强度变化的情况下，如图11所 示，当永磁和电磁同向耦合时，随着靶面径向磁场感应强度的增大，弧斑受到的周向力增强，旋转速度加快，弧斑在做周向旋转运动的同时伴随径向扩展运动；当永磁和电磁方向耦合时，弧斑向靶中心收缩，弧斑聚焦尺寸变大并消失，周而复始。由于图像曝光时间相同，这就表明，弧斑运动速度加快，在某些点位驻留的时间缩短，电流密度降低，从而降低局部高温加热的影响，减小熔池面积，降低液滴的发射，可提高靶材利用率和镀膜质量。

图11 弧斑运动轨迹随时间变化图Fig.11 Images of cathode spots motion trajectory changing with time

4 结论

通过对弧源附加磁场进行理论分析和仿真计算，深入解析磁场作用对弧斑运动行为的影响规律，依据分析结果对磁场进行合理有效的设计，可以利用复合磁场改善弧斑的放电形式，控制弧斑的运动轨迹，提高弧斑的运动速率，降低放电功率在阴极斑点处的集中，从而减少大液滴的发射，显著提高弧源在真空电弧离子镀工业化生产中的实用性和可靠性。