陰極弧放電不同反應(yīng)氣體等離子體對(duì)陰極的腐蝕研究

陰極弧放電已被經(jīng)常用于沉積不同的金屬膜，除常用的Ar用于直接濺射靶材沉積相應(yīng)的金屬薄膜外，含氮、含氧的薄膜也經(jīng)常在沉積過(guò)程中通過(guò)摻入O2和N2進(jìn)行放電來(lái)獲得。不同于單質(zhì)Ar等離子體放電，N2與O2屬于反應(yīng)性氣體，等離子體過(guò)程更加復(fù)雜，因此在陰極弧表面形成不同的放電形式。伴隨著陰極靶表面不同的放電模式，靶表面的離子腐蝕也有較大差異。除看到的靶表面的腐蝕形貌外，其對(duì)應(yīng)部位的成分與含量也有很大差異。因此，通過(guò)詳細(xì)的研究不同放電氣體在靶表面的腐蝕行為將有助于我們更好地理解等離子體在靶表面的表現(xiàn)如離子分布，自由基分布等，也將有助于對(duì)整個(gè)陰極弧放電行為有更好的理解。

1） Ar,N2,O2等離子體對(duì)陰極表現(xiàn)出不同的刻蝕行為；

2）不同腐蝕區(qū)域的元素成分也有較大的差異；

圖1不同放電氣體在靶表面的腐蝕形狀。

如圖1所示，首先我們可以看到不同的放電氣體對(duì)靶表面的腐蝕形狀有差異。對(duì)于Ar放電可以看到明顯的腐蝕印記，不同于Ar放電，N2放電的腐蝕均勻性更好，腐蝕區(qū)域更大，從中心到周邊都能有較好的腐蝕，而對(duì)于O2放電，可以看到很差的腐蝕效果，只在邊緣存在一條明顯的腐蝕環(huán)，無(wú)法很好的利用中心的區(qū)域。通過(guò)這些腐蝕痕跡，我們可以間接得到不同的反應(yīng)氣體等離子體在靶表面的分布形狀。

圖2.Al0.5Cr0.5腐蝕區(qū)域的元素分布(a)Ar放電，(b)N2放電，(c)O2放電。

在背散射SEM下我們可以看到對(duì)于腐蝕區(qū)，都沒(méi)有看到N和O的分布(如圖2)，說(shuō)明在腐蝕區(qū)靶面濺射比較干凈，也進(jìn)一步說(shuō)明沒(méi)有自由基滲入到靶面，即使有也會(huì)在連續(xù)濺射中被濺射掉。對(duì)于Ar和O2放電，我們可以觀察到N2放電下Al,Cr分布更均勻，說(shuō)明靶表面濺射顆粒也更均勻，與圖1中觀察到的現(xiàn)象一致。

圖3.Al0.5Cr0.5的元素分布(a)O2放電下腐蝕區(qū)域，(b)O2放電中心區(qū)域，(c)N2放電中心區(qū)域

為進(jìn)一步觀察腐蝕區(qū)域是否沒(méi)有N和O的滲入，進(jìn)一步在放大區(qū)域下觀察O的分布，如圖3(a)所示，可以觀察到只在表面觀察到微弱的氧化，在深層截面并未觀察到O分布，說(shuō)明腐蝕區(qū)氧化很弱。相比于中心區(qū)域，氧化十分明顯，在表面形成了Al2O3,而在深層則形成了CrO。而對(duì)于N2在中心區(qū)域則主要為CrN。

通過(guò)以上研究我們可以觀察到不同放電氣體在靶面的腐蝕以及形成物的情況，有助于理解不同反應(yīng)氣體等離子體在陰極靶表面的放電行為。但基于以上的研究還有一些疑問(wèn)需要延申

1）目前文章中只是給了局部的某些顆粒的元素分布表現(xiàn)行為，但未給元素含量，無(wú)法確認(rèn)具體含N，O情況；

2）其次，未給定XPS分析，無(wú)法準(zhǔn)確確定Al-N,Cr-N,Al-O,Cr-O的表現(xiàn)形式。

1.Erosion behavior of composite Al-Cr cathodes in cathodic arc plasmas in inert and reactive atmospheres

文獻(xiàn)（由xdz供稿）