改进的稳定器设计用于阴极真空电弧放电，采用螺旋形阳极以实现四面体非晶碳膜的沉积

氢_free DLC薄膜的制备中，高速率过滤弧沉积（HR-FAD）系统因等离子体区域与电极距离增大导致放电不稳定。本研究通过在电极底板安装三种稳定器结构（遮罩型、凸起型、L型凸起），缩短等离子体与电极距离，有效降低弧电压（平均下降约30%）和自熄灭频率（降低约60%）。其中L型稳定器在提升稳定性的同时保持20-180倍于传统方法的沉积速率，为连续稳定生产提供新方案。

　　

佐野玄基（Genki Sano）| 渡边诚也（Seiya Watanabe）| 佐野春（Haru Sano）| 班藤隆弘（Takahiro Bando）| 竹川宏文（Hirofumi Takikawa）| 杉田宏明（Hiroaki Sugita）| 初森隆弘（Takahiro Hattori）| 吉马宏基（Hiroki Gima）

日本爱知县丰田市天白区日比良冈1-1号，丰田工业大学（Toyohashi University of Technology），邮编441-8580

摘要

四面体非晶碳（ta-C）薄膜是一种不含氢的类金刚石碳（DLC）薄膜，具有较高的sp³键比例，因此具有高硬度和耐磨性。为了制备出液滴数量较少的ta-C薄膜，研究人员开发了一种采用卷绕阳极的高速过滤电弧沉积系统（HR-FAD: Type Carbon）。在HR-FAD系统中，当对卷绕阳极施加磁场时会产生等离子体束。这种等离子体束周围存在等离子体密度高低不同的区域。然而，随着高等离子体密度区域与阳极之间的距离增加，电弧电压会升高，导致频繁的自熄灭现象。在本研究中，我们在阳极基板上安装了稳定结构（以下简称“稳定器”），以缩短等离子体与阳极之间的距离，从而提高放电稳定性。设计了三种类型的稳定器并进行了测试：遮罩型稳定器、凸起型稳定器和L形凸起稳定器。所有这些稳定器均降低了电弧电压和自熄灭频率。其中，L形凸起稳定器并未影响ta-C薄膜的沉积速率。此外，这种长凸起L形稳定器能够实现系统的长期稳定运行。

引言

类金刚石碳（DLC）薄膜是一种含有类金刚石sp³键和类石墨sp²键的非晶碳涂层[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]。其中，不含氢且sp³键比例较高的DLC薄膜被称为四面体非晶碳（ta-C）薄膜[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]，它们具有较高的机械硬度[3], [4], [5], [6], [7], [8]、耐腐蚀性[4], [5], 耐磨性[3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]以及热稳定性[10], [11]。由于其对铝的优异附着力，这类薄膜适用于铝切割工具[7], [8], [9]和医疗仪器[6]等应用领域。目前已开发出多种制备ta-C薄膜的沉积技术[1], [2], [3], [12], [13]。其中，真空电弧沉积（VAD）因其系统配置简单[14]、离子化效率高以及沉积速率快[1], [14], [15], [16], [17]而得到广泛应用。然而，在VAD过程中，阴极点释放的液滴会在薄膜表面产生缺陷并增加表面粗糙度[1], [2], [15], [16], [17], [18]。为了解决这些问题，人们开发了过滤电弧沉积（FAD）系统[1], [2], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19]。在FAD系统中，等离子体受到磁场的引导，中性颗粒和直线运动的液滴被空间过滤或消除[1], [2], [13], [14], [15], [17], [18]，从而能够形成致密且表面光滑的薄膜。典型的FAD系统是竹川等人开发的T形FAD（T-FAD）系统[20]。在该系统中，直线运动的液滴被导向收集室，而受磁场弯曲的等离子体则通过导管输送到基底上，从而获得高硬度的致密无液滴薄膜[20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27]。不过，T-FAD也会去除对薄膜生长有促进作用的中性颗粒[1]，从而导致沉积速率显著下降。

最近，人们将卷绕阳极引入FAD系统，以实现较高的沉积速率和有效的液滴抑制[28], [29], [30]。当电弧电流流经卷绕阳极时，会产生磁场并形成等离子体束。Kito等人开发了一种配备冷却机制的先进FAD系统，即使在连续电弧条件下也能实现稳定运行[30]。这种被称为高速FAD（HR-FAD）的系统使TiN薄膜的沉积速率提高了约1.5倍，并有效减少了液滴数量[30]。基于HR-FAD系统，渡边等人将其应用于DLC薄膜的沉积，开发出了HR-FAD: Type Carbon系统[31]。该系统实现了ta-C薄膜的高速沉积，并降低了单位薄膜厚度的液滴数量[31]。

然而，在后续使用HR-FAD: Type Carbon系统的实验中，我们发现某些操作条件下电弧电压会升高，且频繁发生自熄灭现象。我们还发现，短路卷绕阳极可以稳定放电过程，显著减少自熄灭事件；而直接使用卷绕阳极则会导致放电不稳定。卷绕阳极产生的强等离子体聚焦效应增加了高等离子体密度区域与阳极之间的距离，这被认为是导致放电不稳定的原因。这一现象与之前在磁传输阴极电弧系统中的观察结果一致，即更强的磁场聚焦效应会增加阴极与阳极之间的有效电阻，从而导致电弧电压升高；当电弧电压接近额定工作电压的90%时，放电会变得不稳定，频繁发生自熄灭现象[20]。频繁的自熄灭和重新点燃过程会延长沉积时间，降低生产效率和涂层质量，这对工业应用是不利的。因此，在本研究中，我们探讨了放电不稳定的机制以及稳定结构对沉积过程的影响。

实验装置

实验装置

在本研究中，我们使用了渡边等人开发的HR-FAD: Type Carbon系统，其示意图如图1所示[31]。该系统包括一个直径为50毫米的石墨阴极、一个10.5圈的卷绕阳极以及用于高速沉积的磁场生成装置。通过在阴极后方放置钕永磁体和靠近阴极的外电磁线圈，产生了约0.8 mT的磁場。

放电稳定性

放电稳定性通过自动沉积控制应用程序的日志数据计算得到的平均电弧电压和自熄灭频率来评估。平均电弧电压是根据放电过程中的电压值计算得出的，自熄灭频率则是通过将每次运行的实际触发操作次数（每次运行中排除20次强制触发）除以总理论放电时间来计算的。图3展示了平均电弧电压。

总结

在本研究中，我们在带有卷绕阳极的HR-FAD: Type Carbon系统中设计了安装在阳极基板上的稳定结构，以提高放电稳定性。这些稳定结构的应用降低了平均电弧电压和自熄灭频率，从而证实了放电过程的稳定性。从沉积和表征结果来看，与以往的研究相比，沉积速率提高了约20–180倍，硬度基本相当。

作者贡献声明

杉田宏明（Hiroaki Sugita）：项目管理和资金筹措。初森隆弘（Takahiro Hattori）：项目管理和资金筹措。吉马宏基（Hiroki Gima）：监督和资金筹措。佐野春（Haru Sano）：实验研究。班藤隆弘（Takahiro Bando）：实验研究。竹川宏文（Hirofumi Takikawa）：监督、项目管理和方法论设计、资金筹措。佐野玄基（Genki Sano）：初稿撰写和实验研究。渡边诚也（Seiya Watanabe）：实验研究

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本研究的过程中，作者使用了OpenAI ChatGPT来改进语言表达和可读性。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对最终发表的论文负全责。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了科学研究资助（提案编号22H01470）的支持。我们感谢丰田工业大学合作研究设施中心的支持。