电弧离子镀用脉冲负偏压电源设计中的负载简化*
戚 栋1 王宁会1 林国强2 丁振峰2
1. 大连理工大学 电气工程系；2. 大连理工大学 三束材料改性国家重点实验室
中国 大连 116024
摘要: 针对电弧离子镀的等离子体负载在脉冲负偏压电场作用下，其电压、电流出现振荡的现象，用等离子体物理理论和计算机电路仿真模拟分析，明确了电弧离子镀的等离子体负载的特性本质是由等离子体鞘层引起的容性负载，它可以简化成电工学中的电容和电阻的并联单元，这个电容和电阻在等离子体物理学中有准确的定量描述，从而为专供电弧离子镀等离子体负载用的脉冲负偏压的电源设计，解决了最为关键的理论问题。
关键词：电弧离子镀 等离子体 脉冲偏压电源 负载
电弧离子镀是PVD 技术中的一个重要分支，尤其是在TiN 类硬质薄膜的合成中，起着至关重要 [1]
的作用。
传统的电弧离子镀一直是以直流负偏压为基础工艺的，由于在这种工作制度下等离子体负载的表现形式类似普通的固定阻值的电阻，因而其电源设计也比较简单。
九十年代末，应薄膜低温合成的要求，产生了脉冲负偏压的电弧离子镀技术，发展至今它虽在工业生产中得到了一定的应用，但其基础研究工作进展缓慢。其中一个很重要的原因，就是专供电弧离子镀的等离子体负载使用的脉冲负偏压电源的设计问题，至少迄今人们还没有找到这类电源的设计原则或者关键技术，从而无法满足离子镀工艺所要求的输出规范波形的要求。究其原因，是由于人们还未触摸到这种工艺状态下的电弧离子镀等离子体负载的特性本质，以至于不能在电源设计时找到完全能够代表等离子体负载特性的简化的等效电路。
本文用在脉冲负偏压作用下的电弧离子镀技术沉积合成TiN 薄膜，考察薄膜沉积过程中的负载电压、电流的表现形式，在应用等离子体物理理论并结合计算机仿真模拟分析的基础上，探询电弧离子镀在脉冲偏压作用下的等离子体负载特性，对这一特殊负载试图在电工学范畴内的进行简化，并在等离子体物理学中对简化了的电器元件给予量化描述，以解决电源设计中的关键问题。
[2]
1. 电弧离子镀设备、偏压电源与测量系统
实验的薄膜合成设备为俄产Bulat6型电弧离子镀沉积系统，测量系统主要由电流探头(Tektronix TM501A ) 、电压探头(EP-100K. from Pulse Electronic Engineering Co. Ltd) 和数据存储示波器（500MHz —1GSa/S memory ondoscope ，HP 5014A）组成。 伴随薄膜合成过程检测电源负载（包括：脉冲偏压下的电弧离子镀等离子体负载和电源的泄放电阻）回路中的电压、电流强度及其波形。
2 脉冲偏压下的负载电流
将电压、频率均连续可调的脉冲电源，接到电弧离子镀的等离子体负载回路上，在弧电流I 1=I2=72A，N 2的气体分压P N2=0.30Pa下，提供脉冲负偏压U =680v、f=25kHz、占空比D =50%，来合成TiN 薄膜。经检测脉冲电源输出的电压、电流发现，其波形发生了较大变化，与纯电性负载时检测到的矩形波完全不同，此时电压、电流呈局部振荡，如图1所示。这说明电弧离子镀的等离子体负载具有特殊性，是负载特性的改变决定了电压、电流波形的异常变化。
*国家“863”计划项目资助（2002AA302507）
3 电弧离子镀等离子体负载的特性本质
等离子体物理理论认为，在对等离子体外加负电场时，会在电场载体表面吸引相应数量的正电荷形成等离子体鞘层，随着电场强度增加，这一鞘层相应增厚。
考虑到这种鞘层的特性与电容器的工作原理相类似，为了探询等离子体负载特性本质，我们将偏压电源的输出回路在设备上撤下，然后接入不同电容值的电容器，结果得到了与图1相类似的电压、电流振荡波形。至此，可以肯定，等离子体在外加电场作用下呈现容性负载的特性。 为进一步明确其本质，运用电路理论并结合电源结构特点对这种负载的表现形式进行计算机模拟仿真研究。 3.1建立仿真模型
在分析实验得到的等离子体负载特征波形（电压、电流）基础上，结合电源结构特点，建立如图2所示的仿真模型。
图2中Ｅ、S 1、V 1、D 1、L 1、R 1、R L 构成脉冲电源的仿真模型. 其中R L 为并接在电源输出端的泄放电阻。R 、C 构成电弧离子镀装置的等离子体负载的简化模型。这里说明一点，从微观（时间上）看，R 、C 是在某一范围内变化的、非线性变量，但从宏观（时间上）看，假设它们在一次实验中（设备工艺参数不变）不变，并不影响对下面问题的探讨。
1
1A /d i v 0 0 500V /d i v
2
20µs/div
图 1 脉冲负偏压电源输出的电压、电流波形（实验）
1——电流波形 脉冲电流探头的灵敏度为200 mV/A 2——电压波形 脉冲电压探头衰减比为1000：1
L 1 R 1
图2电弧离子镀脉冲负偏压电源与负载的仿真模型
3.2 仿真分析
图3为在等离子体负载下的脉冲偏压电源输出电流、电压的仿真波形（电流为流过R 1的电流，电压R L 的两端电压），它与在直流负偏压下，电弧离子镀负载上的电压、电流基本恒定相比存在着明显区别，电压和电流呈局部振荡。比较图3和图1可以看出，仿真结果与实验结果相吻合。
电压、电流波形出现上述振荡现象的原因，从电路理论上可以解释为：由于电路中存在两种不同性质的储能元件L 1和C 0，同时电路中的损耗电阻又较小，使电路具备了储能元件之间相互转换能量的条件，因而便形成了衰减振荡充放电的物理过程。
4 电弧离子镀中等离子体负载的电容与电阻的电量描述
认清了电弧离子镀的等离子体负载特性的本质，又将这一特殊的负载简化为电工学范围的一个电容、电阻的并联元件，使电源设计工作有了定性进行的可能。但要真正作到电源的完整设计，尚缺少简化模型中电容C 及电阻R 的定量表征。
在等离子体物理学中，由鞘层引起的电容C 与电阻R 有如下表述：
C=ε0 S /d (1)
式中S 为试样台面积；d 为等离子体鞘层厚度，它与离子质量M ，离子流强J i ，及鞘层电压降
3
d =
23
ε0(
2e M
1
)
4
V
4
电流 / A
V 有关，可表达为：
(2)
J i
2.0-2.00
其中在沉积ＴｉＮ薄膜时，Ｍ取Ｎ、Ｔｉ离子，为
1
1
=
1
1
+
1
14
M Ti +
，Ｖ＝Ｖ０－Ｖｐ，
电压. / K V M
4
M
4
+N
Ｖ０ 为脉冲电压值，Ｖｐ为等离子体电位；由于鞘层厚度随电压变化，所以电容C 为动态变化量。
而 Ｒ＝Ｖ／ｊi
50
100
时间/μs
150
（3）
由于脉冲电压的频率在几十ＫＨｚ范围，远远低于射频频段，故可以认为在这一频率内电子和离子可以同步跟随电压反应，这样可以在直流工艺下通过测量鞘层电位V 对应的离子流强j i 来确定鞘层厚度d ，其中等
图 3 脉冲负偏压电源输出的电压、电流波形（仿真）
1——电流波形 2——电压波形
E=680V L 1=100µH R 1=0.3Ω RL =2K Ω R 0= 450Ω C O =1800PF
离子体电位Ｖｐ要通过等离子体诊断技术来确定，求得d 值后，代入 (1)式便确定了电容C ；同样，在直流工艺下测得Ｖ、ｊi ，其比值即为电阻R 值，实际上只是在低电压时Ｖ、ｊi 保持线性关系，但当电压足够高时，离子流强随电压的升高增长速度变缓，即附和抛物线关系，可通过多项式拟合方法得到R 的表达式。
5．结论
5.1 在脉冲负偏压电场的作用下，电弧离子镀的等离子体负载回路的电压、电流发生局部振荡； 5.2 电压、电流的振荡是由电弧离子镀的等离子体负载特性决定的，其本质上是由等离子体鞘
层引起的容性负载，在电工学中可以简化成一个等效的电容和电阻的并联单元； 5.3 简化的等效电容和电阻在等离子体物理学中有准确的定量描述；
5.4 电弧离子镀等离子体负载的简化及其定量描述，为理想波形的脉冲负偏压电源的设计，解
决了基础的理论问题。
参考文献
[1] 闻立时, 黄荣芳. 离子镀硬质薄膜的最新进展和展望[J]. 真空, 2000, (1): 2.
[2] W. Olbrich and G. Kampschulte: Additional ion bombardment in PVD processes generated by a
superimposed pulse bias voltage[J]. Surf. Coat. Technol., 1993, 61: 262.
Simplification of the plasma load of negative-pulse-bias source used in arc ion plating
Qi Dong1, Wang Ning-hui1, Lin Guo-qiang2, Ding Zhen-feng2
(1.Department of Electrical and Electronics Engineering, Dalian University of Technology, Dalian
116024,China
2. State Key Laboratory for Materials Modification by Laser, Ion and Electron Beams, Dalian University of
Technology, Dalian 116024, China)
ABSTRACT: Based on the voltage and current fluctuating phenomenon in the arc plasma load under the negative-pulse-bias, this paper expatiates that the nature of plasma load in vacuum arc plasma can be simplified as a parallel unit composed of a capacitor and a resistor, which have exact and quantitive descriptions by using the plasma physics theory and simulation analysis. As a result, this has solved the key theoretic issues for the design of negative-pulse-bias source specifically used for vacuum arc ion plating.
KEY WORDS: vacuum arc ion plating, negative-pulse-bias, plasma load
作者简介：
戚栋：男，1963年3月生，辽宁大连人，汉族，硕士学位，副教授。主要从事功率控制技术及等离子体电源研究，发表论文30余篇，获国家专利3项，教育部科技奖1项，辽宁省科技奖2项。联系
电话：0411—4708576、[1**********]，传真：0411—4708576，E-mail:[email protected]
电弧离子镀用脉冲负偏压电源设计中的负载简化*
戚 栋1 王宁会1 林国强2 丁振峰2
1. 大连理工大学 电气工程系；2. 大连理工大学 三束材料改性国家重点实验室
中国 大连 116024
摘要: 针对电弧离子镀的等离子体负载在脉冲负偏压电场作用下，其电压、电流出现振荡的现象，用等离子体物理理论和计算机电路仿真模拟分析，明确了电弧离子镀的等离子体负载的特性本质是由等离子体鞘层引起的容性负载，它可以简化成电工学中的电容和电阻的并联单元，这个电容和电阻在等离子体物理学中有准确的定量描述，从而为专供电弧离子镀等离子体负载用的脉冲负偏压的电源设计，解决了最为关键的理论问题。
关键词：电弧离子镀 等离子体 脉冲偏压电源 负载
电弧离子镀是PVD 技术中的一个重要分支，尤其是在TiN 类硬质薄膜的合成中，起着至关重要 [1]
的作用。
传统的电弧离子镀一直是以直流负偏压为基础工艺的，由于在这种工作制度下等离子体负载的表现形式类似普通的固定阻值的电阻，因而其电源设计也比较简单。
九十年代末，应薄膜低温合成的要求，产生了脉冲负偏压的电弧离子镀技术，发展至今它虽在工业生产中得到了一定的应用，但其基础研究工作进展缓慢。其中一个很重要的原因，就是专供电弧离子镀的等离子体负载使用的脉冲负偏压电源的设计问题，至少迄今人们还没有找到这类电源的设计原则或者关键技术，从而无法满足离子镀工艺所要求的输出规范波形的要求。究其原因，是由于人们还未触摸到这种工艺状态下的电弧离子镀等离子体负载的特性本质，以至于不能在电源设计时找到完全能够代表等离子体负载特性的简化的等效电路。
本文用在脉冲负偏压作用下的电弧离子镀技术沉积合成TiN 薄膜，考察薄膜沉积过程中的负载电压、电流的表现形式，在应用等离子体物理理论并结合计算机仿真模拟分析的基础上，探询电弧离子镀在脉冲偏压作用下的等离子体负载特性，对这一特殊负载试图在电工学范畴内的进行简化，并在等离子体物理学中对简化了的电器元件给予量化描述，以解决电源设计中的关键问题。
[2]
1. 电弧离子镀设备、偏压电源与测量系统
实验的薄膜合成设备为俄产Bulat6型电弧离子镀沉积系统，测量系统主要由电流探头(Tektronix TM501A ) 、电压探头(EP-100K. from Pulse Electronic Engineering Co. Ltd) 和数据存储示波器（500MHz —1GSa/S memory ondoscope ，HP 5014A）组成。 伴随薄膜合成过程检测电源负载（包括：脉冲偏压下的电弧离子镀等离子体负载和电源的泄放电阻）回路中的电压、电流强度及其波形。
2 脉冲偏压下的负载电流
将电压、频率均连续可调的脉冲电源，接到电弧离子镀的等离子体负载回路上，在弧电流I 1=I2=72A，N 2的气体分压P N2=0.30Pa下，提供脉冲负偏压U =680v、f=25kHz、占空比D =50%，来合成TiN 薄膜。经检测脉冲电源输出的电压、电流发现，其波形发生了较大变化，与纯电性负载时检测到的矩形波完全不同，此时电压、电流呈局部振荡，如图1所示。这说明电弧离子镀的等离子体负载具有特殊性，是负载特性的改变决定了电压、电流波形的异常变化。
*国家“863”计划项目资助（2002AA302507）
3 电弧离子镀等离子体负载的特性本质
等离子体物理理论认为，在对等离子体外加负电场时，会在电场载体表面吸引相应数量的正电荷形成等离子体鞘层，随着电场强度增加，这一鞘层相应增厚。
考虑到这种鞘层的特性与电容器的工作原理相类似，为了探询等离子体负载特性本质，我们将偏压电源的输出回路在设备上撤下，然后接入不同电容值的电容器，结果得到了与图1相类似的电压、电流振荡波形。至此，可以肯定，等离子体在外加电场作用下呈现容性负载的特性。 为进一步明确其本质，运用电路理论并结合电源结构特点对这种负载的表现形式进行计算机模拟仿真研究。 3.1建立仿真模型
在分析实验得到的等离子体负载特征波形（电压、电流）基础上，结合电源结构特点，建立如图2所示的仿真模型。
图2中Ｅ、S 1、V 1、D 1、L 1、R 1、R L 构成脉冲电源的仿真模型. 其中R L 为并接在电源输出端的泄放电阻。R 、C 构成电弧离子镀装置的等离子体负载的简化模型。这里说明一点，从微观（时间上）看，R 、C 是在某一范围内变化的、非线性变量，但从宏观（时间上）看，假设它们在一次实验中（设备工艺参数不变）不变，并不影响对下面问题的探讨。
1
1A /d i v 0 0 500V /d i v
2
20µs/div
图 1 脉冲负偏压电源输出的电压、电流波形（实验）
1——电流波形 脉冲电流探头的灵敏度为200 mV/A 2——电压波形 脉冲电压探头衰减比为1000：1
L 1 R 1
图2电弧离子镀脉冲负偏压电源与负载的仿真模型
3.2 仿真分析
图3为在等离子体负载下的脉冲偏压电源输出电流、电压的仿真波形（电流为流过R 1的电流，电压R L 的两端电压），它与在直流负偏压下，电弧离子镀负载上的电压、电流基本恒定相比存在着明显区别，电压和电流呈局部振荡。比较图3和图1可以看出，仿真结果与实验结果相吻合。
电压、电流波形出现上述振荡现象的原因，从电路理论上可以解释为：由于电路中存在两种不同性质的储能元件L 1和C 0，同时电路中的损耗电阻又较小，使电路具备了储能元件之间相互转换能量的条件，因而便形成了衰减振荡充放电的物理过程。
4 电弧离子镀中等离子体负载的电容与电阻的电量描述
认清了电弧离子镀的等离子体负载特性的本质，又将这一特殊的负载简化为电工学范围的一个电容、电阻的并联元件，使电源设计工作有了定性进行的可能。但要真正作到电源的完整设计，尚缺少简化模型中电容C 及电阻R 的定量表征。
在等离子体物理学中，由鞘层引起的电容C 与电阻R 有如下表述：
C=ε0 S /d (1)
式中S 为试样台面积；d 为等离子体鞘层厚度，它与离子质量M ，离子流强J i ，及鞘层电压降
3
d =
23
ε0(
2e M
1
)
4
V
4
电流 / A
V 有关，可表达为：
(2)
J i
2.0-2.00
其中在沉积ＴｉＮ薄膜时，Ｍ取Ｎ、Ｔｉ离子，为
1
1
=
1
1
+
1
14
M Ti +
，Ｖ＝Ｖ０－Ｖｐ，
电压. / K V M
4
M
4
+N
Ｖ０ 为脉冲电压值，Ｖｐ为等离子体电位；由于鞘层厚度随电压变化，所以电容C 为动态变化量。
而 Ｒ＝Ｖ／ｊi
50
100
时间/μs
150
（3）
由于脉冲电压的频率在几十ＫＨｚ范围，远远低于射频频段，故可以认为在这一频率内电子和离子可以同步跟随电压反应，这样可以在直流工艺下通过测量鞘层电位V 对应的离子流强j i 来确定鞘层厚度d ，其中等
图 3 脉冲负偏压电源输出的电压、电流波形（仿真）
1——电流波形 2——电压波形
E=680V L 1=100µH R 1=0.3Ω RL =2K Ω R 0= 450Ω C O =1800PF
离子体电位Ｖｐ要通过等离子体诊断技术来确定，求得d 值后，代入 (1)式便确定了电容C ；同样，在直流工艺下测得Ｖ、ｊi ，其比值即为电阻R 值，实际上只是在低电压时Ｖ、ｊi 保持线性关系，但当电压足够高时，离子流强随电压的升高增长速度变缓，即附和抛物线关系，可通过多项式拟合方法得到R 的表达式。
5．结论
5.1 在脉冲负偏压电场的作用下，电弧离子镀的等离子体负载回路的电压、电流发生局部振荡； 5.2 电压、电流的振荡是由电弧离子镀的等离子体负载特性决定的，其本质上是由等离子体鞘
层引起的容性负载，在电工学中可以简化成一个等效的电容和电阻的并联单元； 5.3 简化的等效电容和电阻在等离子体物理学中有准确的定量描述；
5.4 电弧离子镀等离子体负载的简化及其定量描述，为理想波形的脉冲负偏压电源的设计，解
决了基础的理论问题。
参考文献
[1] 闻立时, 黄荣芳. 离子镀硬质薄膜的最新进展和展望[J]. 真空, 2000, (1): 2.
[2] W. Olbrich and G. Kampschulte: Additional ion bombardment in PVD processes generated by a
superimposed pulse bias voltage[J]. Surf. Coat. Technol., 1993, 61: 262.
Simplification of the plasma load of negative-pulse-bias source used in arc ion plating
Qi Dong1, Wang Ning-hui1, Lin Guo-qiang2, Ding Zhen-feng2
(1.Department of Electrical and Electronics Engineering, Dalian University of Technology, Dalian
116024,China
2. State Key Laboratory for Materials Modification by Laser, Ion and Electron Beams, Dalian University of
Technology, Dalian 116024, China)
ABSTRACT: Based on the voltage and current fluctuating phenomenon in the arc plasma load under the negative-pulse-bias, this paper expatiates that the nature of plasma load in vacuum arc plasma can be simplified as a parallel unit composed of a capacitor and a resistor, which have exact and quantitive descriptions by using the plasma physics theory and simulation analysis. As a result, this has solved the key theoretic issues for the design of negative-pulse-bias source specifically used for vacuum arc ion plating.
KEY WORDS: vacuum arc ion plating, negative-pulse-bias, plasma load
作者简介：
戚栋：男，1963年3月生，辽宁大连人，汉族，硕士学位，副教授。主要从事功率控制技术及等离子体电源研究，发表论文30余篇，获国家专利3项，教育部科技奖1项，辽宁省科技奖2项。联系
电话：0411—4708576、[1**********]，传真：0411—4708576，E-mail:[email protected]