阴极弧放电不同反应气体等离子体对阴极的腐蚀研究

阴极弧放电已被经常用于沉积不同的金属膜，除常用的Ar用于直接溅射靶材沉积相应的金属薄膜外，含氮、含氧的薄膜也经常在沉积过程中通过掺入O2和N2进行放电来获得。不同于单质Ar等离子体放电，N2与O2属于反应性气体，等离子体过程更加复杂，因此在阴极弧表面形成不同的放电形式。伴随着阴极靶表面不同的放电模式，靶表面的离子腐蚀也有较大差异。除看到的靶表面的腐蚀形貌外，其对应部位的成分与含量也有很大差异。因此，通过详细的研究不同放电气体在靶表面的腐蚀行为将有助于我们更好地理解等离子体在靶表面的表现如离子分布，自由基分布等，也将有助于对整个阴极弧放电行为有更好的理解。

1） Ar,N2,O2等离子体对阴极表现出不同的刻蚀行为；

2）不同腐蚀区域的元素成分也有较大的差异；

图1不同放电气体在靶表面的腐蚀形状。

如图1所示，首先我们可以看到不同的放电气体对靶表面的腐蚀形状有差异。对于Ar放电可以看到明显的腐蚀印记，不同于Ar放电，N2放电的腐蚀均匀性更好，腐蚀区域更大，从中心到周边都能有较好的腐蚀，而对于O2放电，可以看到很差的腐蚀效果，只在边缘存在一条明显的腐蚀环，无法很好的利用中心的区域。通过这些腐蚀痕迹，我们可以间接得到不同的反应气体等离子体在靶表面的分布形状。

图2.Al0.5Cr0.5腐蚀区域的元素分布(a)Ar放电，(b)N2放电，(c)O2放电。

在背散射SEM下我们可以看到对于腐蚀区，都没有看到N和O的分布(如图2)，说明在腐蚀区靶面溅射比较干净，也进一步说明没有自由基渗入到靶面，即使有也会在连续溅射中被溅射掉。对于Ar和O2放电，我们可以观察到N2放电下Al,Cr分布更均匀，说明靶表面溅射颗粒也更均匀，与图1中观察到的现象一致。

图3.Al0.5Cr0.5的元素分布(a)O2放电下腐蚀区域，(b)O2放电中心区域，(c)N2放电中心区域

为进一步观察腐蚀区域是否没有N和O的渗入，进一步在放大区域下观察O的分布，如图3(a)所示，可以观察到只在表面观察到微弱的氧化，在深层截面并未观察到O分布，说明腐蚀区氧化很弱。相比于中心区域，氧化十分明显，在表面形成了Al2O3,而在深层则形成了CrO。而对于N2在中心区域则主要为CrN。

通过以上研究我们可以观察到不同放电气体在靶面的腐蚀以及形成物的情况，有助于理解不同反应气体等离子体在阴极靶表面的放电行为。但基于以上的研究还有一些疑问需要延申

1）目前文章中只是给了局部的某些颗粒的元素分布表现行为，但未给元素含量，无法确认具体含N，O情况；

2）其次，未给定XPS分析，无法准确确定Al-N,Cr-N,Al-O,Cr-O的表现形式。

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

文献（由xdz供稿）