新型阴极弧电源研制及脉冲增强电子发射(P3e)效应研究

　　本文研制了新型脉冲阴极弧电源，并实现了脉冲增强电子发射(P3e)以提高真空室内等离子体密度。该电源核心由脉冲发射和维持电流系统构成，由单片机和触摸屏系统协同控制和管理。对P3e 电源进行放电特性和脉冲增强电子发射效应进行了研究。结果表明，在相同平均电弧电流条件下，与直流相比，P3e 技术能够显著提高工件(基体)脉冲电流与平均电流。在电弧平均电流90 A 时，基体脉冲电流由5 A 提高到19.6 A，基体平均电流由2.2 A 最大提高到4.6 A，表明脉冲增强了电子发射，进而获得高的等离子体密度，这将有助于增加膜层致密性、降低膜层应力。该新型电源对于阴极弧靶中毒抑制、膜层结构改善、膜层颗粒污染控制具有重要的意义。

　　阴极弧技术在众多的物理气相沉积技术中占据主导地位，以其离化率高、沉积速率高和膜基结合力好等优点而得到广泛应用，尤其是在制备刀具薄膜方面。而随着切削技术的快速发展，企业越来越需要兼具高硬度以及高温化学稳定性的刀具薄膜，其中α-Al2O3 薄膜因其高硬度以及高温化学惰性无疑是刀具薄膜中的佼佼者。α-Al2O3是氧化铝中唯一的热力学稳定相，而α-Al2O3 薄膜的形成一般需要高温环境，因此常用化学气相沉积(CVD)技术，但高温限制了刀体材料的选择，例如不能选择高速钢刀具，此外高温还会造成薄膜产生较大热应力，降低刀具寿命。因此，一些学者进行了低温沉积α-Al2O3 薄膜的研究，但这些研究仅仅证明了α-Al2O3 可以在低温生成，实际生产却没有应用。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为脉冲增强电子发射(P3e)电弧蒸发技术的出现，具有划时代的意义。该技术在沉积α-Al2O3 薄膜过程中不但降低了沉积温度，最重要的是该技术可以灵活控制电弧并具有大的工艺窗口。不仅如此，该技术在增强电子发射，提高等效等离子体密度，增加电弧稳定性和提高靶材利用率、减少大颗粒等方面具有独特的优势。国外有些公司和研究单位已经采用了这种先进的技术。国内在这方面的研究尚未见报道。鉴于该技术的先进性和有效性，借助实验室较强的设备研发能力，我们独立设计并研制出由单片机控制的新型脉冲增强电子发射(P3e)阴极弧电源，并对该电源的放电特性、脉冲增强电子发射效应进行了研究，为P3e 技术应用提供依据。

1、电源设计

　　图1 是P3e 电源的整体结构。电源主要由手动或程序模式的人机界面和单片机控制系统、脉冲和直流等单元构成。直流通过逆变技术实现，脉冲是在直流的基础上经过脉冲单元实现。电源为恒流模式，具有过流保护、过热控制、触发保护和故障检测等功能。

图1 电源系统结构

　　研制的P3e 电源如图2 所示。电源人机界面主要由三部分组成：(1)主控系统，主要包含电源开关、程序编辑和故障显示等。程序编辑功能增加了电源的灵活性，如可以控制P3e 输出连续式脉冲，也可以输出间歇式脉冲；工艺流程可以选用手动模式“Mannual”和程序模式“Program”，选择后者可以按照设置的工艺参数进行自动镀膜控制；(2)P3e 脉冲控制，可以设定电流、频率、脉宽等工艺参数，并显示电压和功率等常规参数。脉冲模式可以采用随机模式和条件模式，即可实现P3e 工艺有条件开启。如阴极弧靶正常工作时弧压为V0，根据弧靶电压与靶中毒关系来设定启动电压阈值(需要判断自动熄弧和起弧的电压变化)，当弧靶中毒现象减弱或消失后，P3e 工作模式可有条件下暂停；(3)维持电流控制，阴极弧放电需要设置合适的维持电流，闭环控制恒流输出，人机界面显示电压、电流和功率等参数。

图2 自行研制的P3e 电源

2、P3e 放电特性

2.1、水负载测试

　　用自行研制的P3e 电源首先在水负载中进行了电特性测试，图3 给出了电流波形。图3(a)为直流50 A，脉冲电流分别为100 A，200 A，300 A和400 A(脉宽400 μs，频率300 Hz)电流波形。

图3 P3e 电流波形

　　可见，直流电流较为平直，而脉冲电流均为方波，且脉冲电流大小变化并未影响方波形状，且上升沿速度基本不变。3(b)为直流50 A，脉冲宽度分别为200 μs，300 μs，400 μs 和500 μs(脉冲电流300 A，频率300 Hz)电流波形。可见，脉宽增大时脉冲电流峰值平台变化不大，且上升沿速度基本不变。3(c)为直流50 A，脉冲频率分别为300 Hz，500 Hz，700 Hz 和900 Hz (脉冲电流150 A，脉宽400 μs)电流波形。频增大即单位时间脉冲个数增多，由图中清楚可见。虽然单位时间脉冲个数有所变化，但每一个脉冲电流波形基本不变。综上分析，电源具有较好的输出特性。

2.2、电弧负载测试

　　用该电源作用于实际的阴极弧放电过程。图4 为维持平均电流50 A，脉冲电流150 A，脉宽400 μs，不同频率时电流波形。脉冲电流的上升时间变长，这与回路电感以及电弧负载特性有关，可以调整回路硬件设计。脉冲频率变化对脉冲电流波形影响不大。

图4 不同频率下的电弧脉冲电流

2.3、脉冲增强电子发射效应

　　分别利用直流电源和研制的P3e 电源进行钛靶弧放电，并记录直流阴极弧放电时基体电流波形和P3e 阴极弧放电对应基体电流波形。放电气压为1.0 Pa，工作气体为氩气。基体连接脉冲偏压电源，电压-100 V，占空比50%。传统直流电流90 A，整个P3e 电源系统输出平均电流也为90 A，其中包括维持平均电流50 A 和脉冲平均电流40 A。为了研究脉冲增强电子发射效应，采用不同的P3e 电源脉冲参数，即保持维持平均电流50 A 不变，只变化脉冲电流同时相应变化占空比(脉宽500 μs 不变，改变频率)来保持脉冲平均电流40 A，每一个P3e 脉冲电流对应一个基体放电电流。分别记录直流阴极弧和不同脉冲参数P3e阴极弧对应基体电流波形，并在350 μs~450 μs时间内截取相应基体电流波形进行比较，结果见图5。由图可见，P3e 脉冲模式显著增强电子发射，进而增加了基体的电流峰值。P3e 脉冲电流增大，基体电流峰值也增大，呈线性增大趋势，脉冲电流300 A 时，基体峰值电流达到19.6 A，90 A 直流阴极弧对应的基体峰值电流仅为5 A，约为4 倍。

　　在上述参数条件下，考察直流阴极弧和P3e阴极弧所对应的基体平均电流，见图6。由图可知，直流阴极弧基体获得平均电流为2.2 A，而P3e阴极弧显著提高了基体获得电流。即阴极弧放电平均电流相同，但是基体收到的电流显著增大到2 倍以上。这对于膜层致密化、降低应力具有重要的意义。有学者认为基体电流的增加是由于金属离子价态的提高造成的。但Jürgen Ramm等人认为基体电流的增加主要原因是脉冲增强了电子发射，进而增强了工作气体离化程度，并通过实验数据证实了这一观点。此外他们认为基体电流值对于脉冲参数很敏感。本文基体获得电流在脉冲400 A 时略微减小，这可能与脉冲放电参数变化有关。在高电流条件下，为维持平均电流不变，需要采用较小的脉冲频率，相当于单位时间脉冲个数减少，这将相对降低整体离化程度。

　　当然脉冲电流增大可以提高离化程度，因此空间等离子体密度与脉冲放电参数有关。另外脉冲电流大小变化也会影响电流波形形状，这部分因素分析正在进行中。

图5 脉冲电流对基体电流的影响

图6 500 μs 脉宽条件下脉冲电流对基体平均电流的影响

　　为了进一步验证脉冲增强电子发射效果，同样采用直流阴极弧90 A 和P3e 阴极弧90 A 分别进行钛靶弧放电，放电气压为1.0 Pa，工作气体为氩气，基体加负偏压-100 V，占空比50%。在两种放电模式下分别进行基体平均电流测试，其中P3e电弧90 A 仍由维持平均电流50 A 和脉冲平均电流40 A 组成。P3e 电源维持平均电流为50 A 不变，仅改变脉冲参数，但不同的是P3e 脉冲参数中保持频率不变，通过改变脉冲电流及相应脉宽来获得脉冲平均电流40 A。每一个钛靶脉冲放电电流对应一个基体平均电流值，分别记录直流阴极弧和该参数下P3e 阴极弧所对应基体平均电流值并进行比较，结果如图7 所示。由图可知，又一次表明P3e 脉冲模式大大增大电子发射，进而增加了基体平均电流，由直流阴极弧基体平均电流2.2 A最大提高到P3e 模式的基体平均电流4.6 A。同样，P3e 阴极弧随脉冲电流增大，基体平均电流也表现为先增大后略微减小趋势。此外脉冲电流小而脉冲频率高对于获得高的基体电流是不利的。

　　P3e 脉冲放电期间增强了电子发射，增加了等离子体密度，这有利于膜层结构和质量的控制。实际上在脉冲放电结束后仍有较高的等离子体密度，这在基体电流上可以显示出来。如图8 所示，在脉冲关断后50 μs 左右基体脉冲电流基本不变，随后逐渐降低，直到脉冲关断500 μs 后仍有较高的电流，结果基体获得了较大的平均电流。可见P3e技术获得了脉冲增强的电子发射，显著增强了离化(气体和金属)，为膜层质量优化提供了条件。事实上大电流脉冲技术还可以分散电弧斑点，有效降低大颗粒发射，这对于减少膜层缺陷具有重要的意义。同时由于大电流脉冲能够有效净化阴极表面，进而可以实现α-Al2O3 等薄膜的电弧源低温沉积。

图7 920 Hz 频率条件下脉冲电流对基体平均电流的影响

图8 流过基体电流

3、结论

　　独立设计并研制了脉冲增强电子发射(P3e)阴极弧电源，在水负载和电弧负载条件下测试输出，结果表明设备稳定可靠。在阴极弧电源平均输出电流相等的条件下，P3e 脉冲技术可以获得更大的基体电流，表明脉冲增强了电子发射，粒子离化率的显著增强。在平均电流90 A，脉冲电流300 A 的条件下，基体电流峰值由5 A 可上升为19.6 A，而基体平均电流由2.2 A 提高到4.6 A，这说明P3e 技术显著增强了离化。不仅如此，这种P3e 技术在α-Al2O3 低温阴极弧沉积、膜层大颗粒减少等方面均具有重要的价值。