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组会报告王振玉报告内容阴极电弧的原理1阴极电弧的磁过滤特点2阴极电弧的一些应用3阴极电弧沉积（CathodicArcDeposition,CAD）是指通过真空电弧放电产生镀膜离子，然后成膜离子以一定的能量沉积到工件表面的镀膜方法，属于物理气相沉积（PVD）方法的一种。一.阴极电弧的原理1.什么是阴极电弧沉积？2.阴极电弧的形成过程阴极电弧是在低气压条件下（约102Pa~10-5Pa）阴阳极之间低电压高电流的气体放电现象。阴极电弧的稳定燃烧电弧中的带电粒子指的是电子、正离子和负离子。引燃电弧和维持电弧燃烧的带电粒子是电子和正离子。其中在阴极电弧等离子体中电子占到了90%以上。正离子主要是依靠电弧中气体介质的电离产生的。电子的产生过程主要有：1.热发射2.场发射3.热游离4.碰撞游离（a）引弧电极与阴极靶表面接触的瞬间引燃电弧。因为接触面积很小，接触电阻很大，在较大电流密度下和强电场作用下，向外发射热电子和场致发射电子，电子发射集中处产生大电流，形成弧斑。（b）大电流高温导致大量阴极材料粒子被蒸发出来形成阴极材料粒子气体，这些粒子气体很快与获得电场加速的电子碰撞而发生离化，形成阴极材料的低压直流等离子体。（c）部分等离子体被吸引到阴极表面，形成空间电荷层，产生强电场，使阴极表面功率函数小的点发射电子，重复过程(a)中的电子发射过程。3.电弧的组成部分1.近阴极区——长度极短（约等于电子的平均自由行程）。电子经过这段行程后，气体电离，电子运动快，正离子慢行成正离子层，电场强度很高。2.近阳极区——长度为近阴极区数倍，阳极附近聚集大量电子，形成电子层。阳极压降﹑阴极压降数值相近，在20V以内，但阳极压降区较长，所以电场强度较小。电弧的阴极区域对电弧的发生和物理过程具有重要的意义，形成电弧放电的大部分电子是在阴极区产生或由阴极本身发射的。电弧放电时，实际上并不是整个阴极全部参加放电过程，阴极表面的放电只集中在一个很小的区域上，这个小区域称为阴极斑点。它是一个非常集中，面积很小的光亮区域，其电流密度很大．是电弧放电中强大电子流的来源。因此阴极电弧实际上是阴极斑点发出的，在金属弧中阴极斑点提供维持真空电弧所必需的金属蒸气，同时也是电子从阴极进入阳极的通道，对真空电弧的存在起着至关重要的作用，阴极斑点的寿命决定了整个阴极弧的寿命，因此阴极斑点对真空电弧的存在起着重要作用。所谓阴极斑点是指阴极的微小发射区。弧坑区为发射源，主要发射电子及喷出中性蒸汽和金属液滴。电离区为碰撞区，发出的中性蒸汽在此电离，此区场强很高(阴极压降区)，厚度为一个平均自由程，约0.1—1.0微米。弧根区几乎全部电离加少许中性蒸汽和液滴。阴极斑点从产生到熄灭只有几到几十纳秒的时间，因而我们认为，阴极斑点运动的速度方向就代表了电弧弧根处的运动方向，所以阴极斑点的运动决定了整个电弧的运动。阴极斑点的运动阴极斑点在无磁场的情况下是无规则的运动。当存在外磁场的时候，阴极斑点的运动会受到磁场的影响，呈现“倒退运动”特征以及具有“锐角规律”。由于阴极斑点实质上可以认为是电子发射源，所以磁场对阴极斑点运动的影响实质上是对电子运动的影响。“倒退运动”特征是指阴极斑点的运动方向与带电粒子在磁场中的运动正好相反，也就是粒子所受磁场力的反方向（即-J×B方向）。而同时阴极斑点运动方向也会倾向于磁力线与阴极表面所形成的锐角方向，也就是“锐角规律”。二.磁过滤的特点为什么要进行磁过滤呢？阴极斑点处的微小熔池是液态颗粒产生的源头。虽然熔池温度很高，但是由于斑点在阴极表面不断运动，所以熔池的能量输入并不连续，导致部分还未气化的液态金属直接喷射出，或者蒸气在熔池附近复合、凝结形成液态颗粒。它们的直径一般在0.1μm～100μm左右，尺寸的分布呈现指数函数规律，以一定的速度向工件运动，形成污染膜层表面的宏观颗粒，一般阴极电弧镀制膜层的厚度在10μm以下，所以有的宏观颗粒甚至可以贯穿整个膜层，造成膜层性能恶化，所以在离子传输的过程中要把这些宏观颗粒过滤掉是必要的。减少宏观颗粒的途径：1.减少宏观大颗粒的产生，依靠提高阴极斑点的速度，在阴极靶材附近加磁场控制或者是用脉冲电源提供能量，但是脉冲弧在操作过程中需要频繁引弧，会影响沉积效率。2.在等离子传输的过程中过滤掉，在外加磁场作用下，宏观大颗粒由于质量较大，在惯性作用下直接溅射到管壁上被过滤掉，而质量小的离子束则在电子束流形成的外力牵引下，顺利通过磁过滤弯管到达基体表面获得高质量薄膜生长。而设计磁过滤弯管时，通常用以下两个标准来优化其结构：（1）最大的大颗粒过滤效果(2)最少的等离子体损失原则。1.减少宏观颗粒的产生阴极后部使用导向磁场控制阴极斑点的运动速度和运动轨迹，当阴极斑点的运动速度加快，就可以降低熔池的尺寸从而降低液态颗粒的尺寸。另外还有方法是调节阴极靶控制磁场使得阴极斑点尽量分布在整个阴极表面，从而减小阴极斑点尺寸，达到降低液态颗粒尺寸的目的。电弧中的正离子只占弧流的10%左右，激发的电子电流占绝大多数。在轴向外磁场作用下，电子做离心圆周运动，因此不断触碰阴极靶外延，重新引发新的电弧。Aksenov等分别用二维平面模型和通量管模型模拟了大颗粒在不同磁过滤弯管中运动情况和等离子体在磁过滤弯管中的传输情况。结论：综合考虑大颗粒过滤效果和等离子体传输效率两个方面，膝盖型磁过滤弯管是最优的。其中Nent代表由阴极弧斑产生的大颗粒数量，用Nex代表从磁过滤弯管出口处流出的大颗粒数量Ii为磁过滤弯管出口处总离子流大小，Ia为弧源放电电流，ms=Ii/Ia2.宏观大颗粒的过滤三.阴极电弧的应用1.二元涂层二元涂层指TiN，CrN，ZrN等。2.三元涂层TiAlN，TiCrN，CrAlN，TiCN等。4.纳米多层膜TiCrAlN，TiCrCN等。3.四元涂层C-C，WC-CrAlN等。超硬涂层：