本文研制了新型脈沖陰極弧電源，并實現了脈沖增強電子發射(P3e)以提高真空室內等離子體密度。該電源核心由脈沖發射和維持電流系統構成，由單片機和觸摸屏系統協同控制和管理。對P3e 電源進行放電特性和脈沖增強電子發射效應進行了研究。結果表明，在相同平均電弧電流條件下，與直流相比，P3e 技術能夠顯著提高工件(基體)脈沖電流與平均電流。在電弧平均電流90 A 時，基體脈沖電流由5 A 提高到19.6 A，基體平均電流由2.2 A 最大提高到4.6 A，表明脈沖增強了電子發射，進而獲得高的等離子體密度，這將有助于增加膜層致密性、降低膜層應力。該新型電源對于陰極弧靶中毒抑制、膜層結構改善、膜層顆粒污染控制具有重要的意義。

　　陰極弧技術在眾多的物理氣相沉積技術中占據主導地位，以其離化率高、沉積速率高和膜基結合力好等優點而得到廣泛應用，尤其是在制備刀具薄膜方面。而隨著切削技術的快速發展，企業越來越需要兼具高硬度以及高溫化學穩定性的刀具薄膜，其中α-Al2O3 薄膜因其高硬度以及高溫化學惰性無疑是刀具薄膜中的佼佼者。α-Al2O3是氧化鋁中唯一的熱力學穩定相，而α-Al2O3 薄膜的形成一般需要高溫環境，因此常用化學氣相沉積(CVD)技術，但高溫限制了刀體材料的選擇，例如不能選擇高速鋼刀具，此外高溫還會造成薄膜產生較大熱應力，降低刀具壽命。因此，一些學者進行了低溫沉積α-Al2O3 薄膜的研究，但這些研究僅僅證明了α-Al2O3 可以在低溫生成，實際生產卻沒有應用。真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為脈沖增強電子發射(P3e)電弧蒸發技術的出現，具有劃時代的意義。該技術在沉積α-Al2O3 薄膜過程中不但降低了沉積溫度，最重要的是該技術可以靈活控制電弧并具有大的工藝窗口。不僅如此，該技術在增強電子發射，提高等效等離子體密度，增加電弧穩定性和提高靶材利用率、減少大顆粒等方面具有獨特的優勢。國外有些公司和研究單位已經采用了這種先進的技術。國內在這方面的研究尚未見報道。鑒于該技術的先進性和有效性，借助實驗室較強的設備研發能力，我們獨立設計并研制出由單片機控制的新型脈沖增強電子發射(P3e)陰極弧電源，并對該電源的放電特性、脈沖增強電子發射效應進行了研究，為P3e 技術應用提供依據。

1、電源設計

　　圖1 是P3e 電源的整體結構。電源主要由手動或程序模式的人機界面和單片機控制系統、脈沖和直流等單元構成。直流通過逆變技術實現，脈沖是在直流的基礎上經過脈沖單元實現。電源為恒流模式，具有過流保護、過熱控制、觸發保護和故障檢測等功能。

圖1 電源系統結構

　　研制的P3e 電源如圖2 所示。電源人機界面主要由三部分組成：(1)主控系統，主要包含電源開關、程序編輯和故障顯示等。程序編輯功能增加了電源的靈活性，如可以控制P3e 輸出連續式脈沖，也可以輸出間歇式脈沖；工藝流程可以選用手動模式“Mannual”和程序模式“Program”，選擇后者可以按照設置的工藝參數進行自動鍍膜控制；(2)P3e 脈沖控制，可以設定電流、頻率、脈寬等工藝參數，并顯示電壓和功率等常規參數。脈沖模式可以采用隨機模式和條件模式，即可實現P3e 工藝有條件開啟。如陰極弧靶正常工作時弧壓為V0，根據弧靶電壓與靶中毒關系來設定啟動電壓閾值(需要判斷自動熄弧和起弧的電壓變化)，當弧靶中毒現象減弱或消失后，P3e 工作模式可有條件下暫停；(3)維持電流控制，陰極弧放電需要設置合適的維持電流，閉環控制恒流輸出，人機界面顯示電壓、電流和功率等參數。

圖2 自行研制的P3e 電源

2、P3e 放電特性

2.1、水負載測試

　　用自行研制的P3e 電源首先在水負載中進行了電特性測試，圖3 給出了電流波形。圖3(a)為直流50 A，脈沖電流分別為100 A，200 A，300 A和400 A(脈寬400 μs，頻率300 Hz)電流波形。

圖3 P3e 電流波形

　　可見，直流電流較為平直，而脈沖電流均為方波，且脈沖電流大小變化并未影響方波形狀，且上升沿速度基本不變。3(b)為直流50 A，脈沖寬度分別為200 μs，300 μs，400 μs 和500 μs(脈沖電流300 A，頻率300 Hz)電流波形。可見，脈寬增大時脈沖電流峰值平臺變化不大，且上升沿速度基本不變。3(c)為直流50 A，脈沖頻率分別為300 Hz，500 Hz，700 Hz 和900 Hz (脈沖電流150 A，脈寬400 μs)電流波形。頻增大即單位時間脈沖個數增多，由圖中清楚可見。雖然單位時間脈沖個數有所變化，但每一個脈沖電流波形基本不變。綜上分析，電源具有較好的輸出特性。

2.2、電弧負載測試

　　用該電源作用于實際的陰極弧放電過程。圖4 為維持平均電流50 A，脈沖電流150 A，脈寬400 μs，不同頻率時電流波形。脈沖電流的上升時間變長，這與回路電感以及電弧負載特性有關，可以調整回路硬件設計。脈沖頻率變化對脈沖電流波形影響不大。

圖4 不同頻率下的電弧脈沖電流

2.3、脈沖增強電子發射效應

　　分別利用直流電源和研制的P3e 電源進行鈦靶弧放電，并記錄直流陰極弧放電時基體電流波形和P3e 陰極弧放電對應基體電流波形。放電氣壓為1.0 Pa，工作氣體為氬氣。基體連接脈沖偏壓電源，電壓-100 V，占空比50%。傳統直流電流90 A，整個P3e 電源系統輸出平均電流也為90 A，其中包括維持平均電流50 A 和脈沖平均電流40 A。為了研究脈沖增強電子發射效應，采用不同的P3e 電源脈沖參數，即保持維持平均電流50 A 不變，只變化脈沖電流同時相應變化占空比(脈寬500 μs 不變，改變頻率)來保持脈沖平均電流40 A，每一個P3e 脈沖電流對應一個基體放電電流。分別記錄直流陰極弧和不同脈沖參數P3e陰極弧對應基體電流波形，并在350 μs~450 μs時間內截取相應基體電流波形進行比較，結果見圖5。由圖可見，P3e 脈沖模式顯著增強電子發射，進而增加了基體的電流峰值。P3e 脈沖電流增大，基體電流峰值也增大，呈線性增大趨勢，脈沖電流300 A 時，基體峰值電流達到19.6 A，90 A 直流陰極弧對應的基體峰值電流僅為5 A，約為4 倍。

　　在上述參數條件下，考察直流陰極弧和P3e陰極弧所對應的基體平均電流，見圖6。由圖可知，直流陰極弧基體獲得平均電流為2.2 A，而P3e陰極弧顯著提高了基體獲得電流。即陰極弧放電平均電流相同，但是基體收到的電流顯著增大到2 倍以上。這對于膜層致密化、降低應力具有重要的意義。有學者認為基體電流的增加是由于金屬離子價態的提高造成的。但Jürgen Ramm等人認為基體電流的增加主要原因是脈沖增強了電子發射，進而增強了工作氣體離化程度，并通過實驗數據證實了這一觀點。此外他們認為基體電流值對于脈沖參數很敏感。本文基體獲得電流在脈沖400 A 時略微減小，這可能與脈沖放電參數變化有關。在高電流條件下，為維持平均電流不變，需要采用較小的脈沖頻率，相當于單位時間脈沖個數減少，這將相對降低整體離化程度。

　　當然脈沖電流增大可以提高離化程度，因此空間等離子體密度與脈沖放電參數有關。另外脈沖電流大小變化也會影響電流波形形狀，這部分因素分析正在進行中。

圖5 脈沖電流對基體電流的影響

圖6 500 μs 脈寬條件下脈沖電流對基體平均電流的影響

　　為了進一步驗證脈沖增強電子發射效果，同樣采用直流陰極弧90 A 和P3e 陰極弧90 A 分別進行鈦靶弧放電，放電氣壓為1.0 Pa，工作氣體為氬氣，基體加負偏壓-100 V，占空比50%。在兩種放電模式下分別進行基體平均電流測試，其中P3e電弧90 A 仍由維持平均電流50 A 和脈沖平均電流40 A 組成。P3e 電源維持平均電流為50 A 不變，僅改變脈沖參數，但不同的是P3e 脈沖參數中保持頻率不變，通過改變脈沖電流及相應脈寬來獲得脈沖平均電流40 A。每一個鈦靶脈沖放電電流對應一個基體平均電流值，分別記錄直流陰極弧和該參數下P3e 陰極弧所對應基體平均電流值并進行比較，結果如圖7 所示。由圖可知，又一次表明P3e 脈沖模式大大增大電子發射，進而增加了基體平均電流，由直流陰極弧基體平均電流2.2 A最大提高到P3e 模式的基體平均電流4.6 A。同樣，P3e 陰極弧隨脈沖電流增大，基體平均電流也表現為先增大后略微減小趨勢。此外脈沖電流小而脈沖頻率高對于獲得高的基體電流是不利的。

　　P3e 脈沖放電期間增強了電子發射，增加了等離子體密度，這有利于膜層結構和質量的控制。實際上在脈沖放電結束后仍有較高的等離子體密度，這在基體電流上可以顯示出來。如圖8 所示，在脈沖關斷后50 μs 左右基體脈沖電流基本不變，隨后逐漸降低，直到脈沖關斷500 μs 后仍有較高的電流，結果基體獲得了較大的平均電流。可見P3e技術獲得了脈沖增強的電子發射，顯著增強了離化(氣體和金屬)，為膜層質量優化提供了條件。事實上大電流脈沖技術還可以分散電弧斑點，有效降低大顆粒發射，這對于減少膜層缺陷具有重要的意義。同時由于大電流脈沖能夠有效凈化陰極表面，進而可以實現α-Al2O3 等薄膜的電弧源低溫沉積。

圖7 920 Hz 頻率條件下脈沖電流對基體平均電流的影響

圖8 流過基體電流

3、結論

　　獨立設計并研制了脈沖增強電子發射(P3e)陰極弧電源，在水負載和電弧負載條件下測試輸出，結果表明設備穩定可靠。在陰極弧電源平均輸出電流相等的條件下，P3e 脈沖技術可以獲得更大的基體電流，表明脈沖增強了電子發射，粒子離化率的顯著增強。在平均電流90 A，脈沖電流300 A 的條件下，基體電流峰值由5 A 可上升為19.6 A，而基體平均電流由2.2 A 提高到4.6 A，這說明P3e 技術顯著增強了離化。不僅如此，這種P3e 技術在α-Al2O3 低溫陰極弧沉積、膜層大顆粒減少等方面均具有重要的價值。