蔣 釗，唐德禮，陳慶川，周 暉，肖更竭，鄭 軍，馬占吉，楊拉毛草（.蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000；.核工業(yè)西南物理研究院，成都 6004）

0 引言

真空陰極電弧離子鍍（Vacuum Cathode Arc Ion Plating）簡稱真空電弧沉積（Vacuum Arc Deposition，VAD），國內亦稱多弧離子鍍技術，是利用真空腔室內陰極靶材與陽極間的弧光放電，使靶材蒸發(fā)并離化，形成空間等離子體，從而將鍍膜材料沉積在工件表面的過程[1-3]。在VAD設備中，用于產生電弧等離子體并實現(xiàn)等離子體輸運的部件統(tǒng)稱為真空陰極電弧離子源（簡稱弧源）?；≡吹男阅苁菦Q定VAD設備整體工作性能和穩(wěn)定運行的關鍵[4-5]。

弧源的放電過程是基于“冷陰極場電子發(fā)射”理論，在陰極靶面附近堆積正離子電荷層，形成106～108V/m高場強，引起場致發(fā)射大量電子，電子碰撞導致陰極靶面電離擊穿，從而產生弧斑并自持放電的過程。陰極弧斑尺寸微小，但電流密度很大，產生的焦耳熱使弧斑處局部溫升，形成金屬熔池，向外發(fā)射大量的帶電粒子、中性原子甚至噴射金屬液滴[6-7]，如圖1所示。液滴的噴射會導致工件表面大顆粒污染，嚴重影響鍍膜質量[8-9]。由于電弧等離子體具有良好的導電性，可與磁場相互作用，為磁場控制弧斑的位置、形態(tài)以及運動提供了可行性。先進的大型VAD設備，常配備尺寸較大的圓形平面、矩形平面或圓柱面弧源[10]，這時必須引入受控電?。⊿teered-arc）技術[11-12]。附加磁場作為VAD設備中不可或缺的組件，可以對陰極靶面的弧斑進行約束和控制，通過合理設計磁場構型，加快弧斑跳行速度，使得弧斑細碎，降低局部升溫，從而減少大液滴的發(fā)射，保證鍍膜工藝穩(wěn)定和膜層細致[13-15]。

圖1 弧源大液滴發(fā)射Fig.1 macroparticle emission from cathode arc sources

圖2為一種自主開發(fā)的圓形平面弧源磁場構型示意圖。附加磁場采用永磁復合電磁結構，通過調節(jié)電磁場，可形成耦合磁場，實現(xiàn)陰極靶面徑向磁場和軸向磁場的強弱調控，從而控制弧斑在靶面的運動形態(tài)，使得磁場強度得到參數(shù)化的精確調節(jié)，改善靶材的刻蝕情況，提高靶材利用率以及鍍膜質量。

圖2 復合磁場構型示意圖Fig.2 sketch of compound magnetic field structure

1 磁場組件對弧斑的作用分析

針對弧源系統(tǒng)而言，一方面磁場組件在陰極靶面以及放電空間內產生的是非均勻的磁場，另一方面放電過程中的弧斑所發(fā)射的粒子以離子、電子、中性原子以及液滴的集合形態(tài)存在，基于這兩方面的因素，使得對在實際放電過程中磁場作用于弧斑運動的分析變得復雜。

考慮到陰極靶面上確定位置的磁場屬性是確定的，同時，基于電弧穩(wěn)態(tài)放電時，陰極弧斑內的粒子數(shù)目及粒子的相互碰撞達到動態(tài)平衡的假設，可將弧斑看成是一個由離子、電子、中性原子構成的質點。根據(jù)質點的受力狀況，就可以分析推斷粒子的運動情況。

根據(jù)弧源系統(tǒng)的結構設計要求，磁場組件與圓形靶材同軸布置，磁場組件將產生一個軸對稱磁場，陰極靶面上的磁場可分解為徑向分量Br和軸向分量Bz；同時，帶電粒子的速度也可以分解為徑向分量vr與軸向分量vz。為簡化分析，以電子為例，對其在軸對稱磁場中的受力方向進行說明，如圖3所示。

圖3電子在磁場中的受力方向圖Fig.3 electron by the force direction in magnetic field

（1）磁場軸向分量Bz與電子徑向速度vr（弧電流）正交，產生的洛倫茲力作用使得電子產生旋轉運動，受力的表達式為：

式中：Fθ1為驅動電子產生旋轉運動的周向力，N；q為電子帶電量，C。

同理，磁場徑向分量Br與電子軸向速度vz作用而產生周向力Fθ2，周向力Fθ1與周向力Fθ2都使得電子產生周向運動速度vθ，即沿著回轉半徑的徑向旋轉，周向速度又分別與磁場徑向分量Br、磁場軸向分量Bz正交，產生了洛倫茲力作用。

（2）磁場徑向分量Br與電子周向速度vθ正交，產生的洛倫茲力作用使得電子指向靶面運動，產生穩(wěn)弧的作用，受力的表達式為：

（3）磁場軸向分量Bz與電子周向速度vθ正交，產生的洛倫茲力作用使得電子在靶面徑向運動，產生徑向推動的作用，受力的表達式為：

同樣，對于正離子而言，也受到這四種不同洛倫茲力的作用，由于所帶電性相反，兩個周向力方向相反，但穩(wěn)弧作用力與徑向推動作用力的方向相同。

經過分析，周向力的作用使得粒子在靶面做旋轉運動，在空間的運動路徑變大，有更多的機會碰撞、電離，在宏觀上表現(xiàn)出弧斑細化分離，運動速度加快；穩(wěn)弧力使得電荷束縛在相對確定的位置上，穩(wěn)定弧斑在靶面區(qū)域內自持放電并移動；徑向推力能夠控制弧斑在靶面沿徑向移動，使得靶面刻蝕均勻。

2 靶面磁場的仿真分析

采用永磁鐵氧體產生弧源磁場，主要是因為退磁場溫度高，磁性能穩(wěn)定，可加工成磁環(huán)與靶材同軸安裝在靶底座上。電磁線圈采用1.2 mm2的漆包銅線逐層繞制共1 000匝而成。線圈電源采用雙極直流電源，線圈電流為0～5 A，磁場強弱通過線圈中電流大小來調節(jié)，復合永磁形成軸對稱磁場，可通過計算機進行軸對稱二維仿真分析。

2.1 同向磁場耦合分布

當線圈電流為2 A時，永磁場與電磁場磁極同向，磁場為耦合加強，改變了單一永磁磁場的位形和磁場強度，靶面磁場總體呈軸對稱發(fā)散分布，軸向磁場和徑向磁場都得到加強（如圖4所示），尤其是軸向磁場分量增幅更大，有利于束縛弧斑在靶面中心的運動行為，增大弧斑在靶面中心周圍的刻蝕概率。

圖4 永磁+電磁（I=2 A）磁場分布仿真結果圖Fig.4 Simulation result of permanent magnet coupling electromagnet field（I=2 A）distribution

由于離子從脫離靶面輸運到沉積區(qū)需要一定 的磁場力作用，這個磁場應盡可能的大并且均勻，才會提高膜層沉積的均勻性，并對弧斑的運動起到良好的保障。隨著軸向磁場的減弱，徑向磁場的增強（如圖5所示），弧斑以一定的線速度擴展，同時以一定的角速度旋轉。雖然弧斑還是能運動至靶面邊沿，但累積刻蝕后，相對單一永磁場作用下的靶面刻蝕均勻性較好。

圖5 仿真分析結果（I=2 A）圖Fig.5 result of Bz/Brsimulation analysis（I=2 A）

2.2 反向磁場耦合分布

當線圈電流為-2 A時，永磁場與電磁場磁極相反，磁場為耦合消弱，改變了單一永磁磁場的位形和磁場強度，在距靶面中心約30 mm的范圍內有指向靶中心的磁力線（如圖6所示），使得在靶面上形成一個磁聚焦，在磁場作用下，磁力線與靶面成銳角磁場，由銳角定則可知，當弧斑運動到距靶中心30 mm時，繼續(xù)向靶中心運動，不會跑離靶材而導致滅弧。

圖6 永磁+電磁（I=-2 A）磁場分布仿真結果圖Fig.6 Simulation result of permanent magnet coupling electromagnet field（I=-2 A）distribution

陰極靶面徑向磁場分量Br的變化規(guī)律如圖7所示。Br的絕對值表示磁感應強度的大小，而其正負性代表其磁場分量的方向。當磁場的數(shù)值為正時，表示徑向磁場方向向右；磁場數(shù)值為負時，表示該處徑向磁場方向向左；在靶中心位置，徑向磁場分量為0。從徑向磁場分量變化規(guī)律可得出，陰極靶面的徑向磁場分量Br在距靶中心約30 mm范圍內數(shù)值為負，弧斑運行方向指向靶中心，這與圖7向靶中心聚攏的磁力線分布相吻合，有效的形成了一個聚焦磁場。

圖7 Bz/Br仿真分析結果（I=-2 A）圖Fig.7 The result of Bz/Br simulation analysis（I=-2 A）

當線圈電流為-3 A時，永磁場與電磁場磁極相反，磁場為耦合消弱，由于電流增大，反向電磁場強度相應加強，導致整個靶面的軸向磁場和徑向磁場分量都為負值（如圖8和圖9所示），且相比線圈電流為-2A時磁感應強度增大，該磁場分布使得弧斑運動方向都指向靶中心，弧斑運動向靶中心匯聚，弧斑聚焦效應更強。

圖8 永磁+電磁（I=-3 A）磁場分布仿真結果圖Fig.8 Simulation result of permanent magnet coupling electromagnet field（I=-3 A）distribution

圖9 Bz/Br仿真分析結果（I=-3 A）圖Fig.9 the result of Bz/Br simulation analysis（I=-3 A）

綜上分析，可根據(jù)弧斑的運行軌跡和靶材累積刻蝕消耗情況，選擇永磁場和電磁場配合使用。在永磁場作用下，如出現(xiàn)弧斑運動速度減小，偶有斷弧滅弧現(xiàn)象，可復合電磁場，選擇線圈電源直流正向輸出，磁場耦合形成增強的軸對稱發(fā)散磁場，弧斑運動速度加快，運動范圍變大，弧斑細化分裂，電流密度降低，從而降低局部高溫加熱的影響，減小熔池面積，降低液滴的發(fā)射，增加放電穩(wěn)定性，又可提高膜層的沉積速率；如靶材邊緣刻蝕效應加劇，可復合反向電磁場，選擇線圈電源直流負向輸出，調節(jié)電流輸出大小，磁場耦合形成軸對稱匯聚磁場，可約束弧斑運動，抑制跑弧，驅動弧斑指向靶面中心運動，減少靶面邊緣局部刻蝕，改善靶材的刻蝕均勻性，提高靶材利用率。

3 磁場對弧斑作用的實驗結果分析

從實驗結果可以看出，當無磁場組件時，如圖10（a）所示，弧斑表現(xiàn)為覆蓋面積較大并且具有高亮度的孤立斑點，斑點在靶面作無規(guī)則的隨機運動，這表明陰極弧斑在某固定位置駐留時間較長，弧斑尺寸較大，承載電流高，易形成液態(tài)熔池，使得溫度高度集中，產生爆破式的液滴噴濺。當附加磁場組件時，如圖10（b）所示，弧斑呈現(xiàn)出旋轉的運動趨勢，弧斑細化分裂，運動范圍變大，弧斑軌跡變成弧斑線。

圖10 弧斑運動軌跡圖像Fig.10 Images of cathode spots motion trajectory

在磁場位形和強度變化的情況下，如圖11所 示，當永磁和電磁同向耦合時，隨著靶面徑向磁場感應強度的增大，弧斑受到的周向力增強，旋轉速度加快，弧斑在做周向旋轉運動的同時伴隨徑向擴展運動；當永磁和電磁方向耦合時，弧斑向靶中心收縮，弧斑聚焦尺寸變大并消失，周而復始。由于圖像曝光時間相同，這就表明，弧斑運動速度加快，在某些點位駐留的時間縮短，電流密度降低，從而降低局部高溫加熱的影響，減小熔池面積，降低液滴的發(fā)射，可提高靶材利用率和鍍膜質量。

圖11 弧斑運動軌跡隨時間變化圖Fig.11 Images of cathode spots motion trajectory changing with time

4 結論

通過對弧源附加磁場進行理論分析和仿真計算，深入解析磁場作用對弧斑運動行為的影響規(guī)律，依據(jù)分析結果對磁場進行合理有效的設計，可以利用復合磁場改善弧斑的放電形式，控制弧斑的運動軌跡，提高弧斑的運動速率，降低放電功率在陰極斑點處的集中，從而減少大液滴的發(fā)射，顯著提高弧源在真空電弧離子鍍工業(yè)化生產中的實用性和可靠性。