杨 海，李祖君，朱雪彤，马 佳，孙薇薇,*

(佳木斯大学a.机械工程学院，b.理学院，黑龙江 佳木斯 154007)

0 引 言

采用可控区域空心阴极放电技术能够在大型工件表面沉积类金刚石(Diamond-like Carbon，DLC)薄膜，DLC薄膜具有良好的力学性能和较高的耐磨耐腐蚀性能和优异的生物相容性等优点[1]，作为表面改性材料可以极大地提高材料表面的耐磨耐蚀等特性。在大型工件表面沉积DLC薄膜是预防工件失效、延长使用寿命的有效途径。DLC薄膜的性能与制备方法密切相关，在众多的工艺参数中，工作气压对薄膜微结构的影响较大。李景利用磁场增强直流射频复合等离子体增强化学气相沉积的方法在圆筒状PET内表面制备了DLC薄膜[2]，指出工作气压的变化可以增大电子密度和离子密度，降低到达外部电极离子的能量。楚信谱[3]使用射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)法沉积含氢DLC，得到射频自负偏压与工作气压倒数的平方根成正比，即较低的气压促使离子能量增加，对DLC薄膜的轰击作用增强1。但目前为止对可控区域空心阴极制备DLC薄膜工艺中工作气压的影响研究未见报道。研究工作气压对空心阴极放电的影响对沉积DLC薄膜有指导意义。

1 实验方法

具体实验装置见文献[4]。工作气体为Ar、C2H2和Ar/ C2H2混合气体。脉冲电压1400 V，脉冲频率1000Hz，脉冲宽度20 μs，工作气压为2.0 Pa至5.0 Pa。笼网电流和工件电流分别通过传感器采集，利用示波器输出。等离子体光谱诊断采用的仪器为Ocean Optics公司生产的的Flame-S-XR1-ES微型光谱仪。光谱诊断时通过真空装置将光纤探头接入真空室内，靠近空心阴极，在测量C2H2放电光谱时，为了避免光纤探头被污染，将光纤探头用Φ8 mm×80 mm的陶瓷管套住。

2 结果与讨论

2.1 Ar气氛

图1为不同工作气压条件下，笼网峰值电流随脉冲电压变化曲线。

图1 不同气压笼网峰值电流随脉冲电压变化曲线

在不同的工作气压下，笼网峰值电流均随脉冲电压的升高而增大，气压越高笼网峰值电流增加越明显。Ar气压越高，Ar密度越大，与电子发生碰撞的几率越大，笼网内存在较多数量的带电粒子，笼网内的辉光就越强。随着脉冲电压的增大，笼网峰值电流上升的速度越快。图2为不同气压下的Ar放电的发射光谱。谱线的强度变化与笼网峰值电流的变化趋势一致，气压升高提高了单个脉冲放电强度，Ar+和Ar*谱线的强度随气压升高而增强，总体的空心阴极放电强度也被提升。

图2 Ar发射光谱随气压的变化

2.2 C2H2放电

图3为C2H2放电笼网电流和工件电流随工作气压的变化。

图3 C2H2放电电流随工作气压的变化

实验条件为C2H2流量200 sccm，脉冲电压1400 V，脉冲频率1000 Hz，脉冲宽度20 μs。随着C2H2工作气压的增加，笼网电流和工件电流都呈现下降趋势，如在1.5 Pa时，笼网电流的峰值电流为68 A，工件电流的峰值电流为12 A，当气压升至5.0 Pa时，笼网电流下降为63 A，工件电流下降为10.5 A。这表明C2H2气压的增大降低了笼网空心阴极的放电强度。这与Ar放电时气压的影响结果相反。分析认为，这种笼网和工件电流的下降主要来源于C2H2分子强烈的电负性。C2H2气压增大时，笼网内的中性分子和基团的增多，具有较强电负性的C2H2分子强烈吸引电子，与电子复合，消耗电子，电子数量减少，减低了笼形空心阴极的放电强度，所以笼网电流和工件电流都随着工作气压的升高而降低。

C2H2气体在空心阴极放电中主要发生以下反应，如公式(1)和(2)所示：

C2H2+e-(Eel≥7.5eV)→C2H+H+e-

(1)

C2nH2+C2H→C2n+2H2+H

(2)

图4为不同工作气压下C2H2发射谱线。由图可知，随着工作气压的增加，谱线的强度均有所下降。

图4 C2H2发射光谱随气压的变化

2.3 混合气体放电

图5为C2H2(100 sccm)/ Ar(30 sccm)混合气体的笼网峰值电流随气压变化曲线。C2H2+ Ar+ TMS混合气体气氛下笼网峰值电流随气压的升高而增大，而纯C2H2放电时笼网峰值电流随气压升高而降低。纯C2H2放电时，气压升高，真空室内的大量的电子与强电负性的C2H2分子结合，降低了电子的数量，削弱了空心阴极效应，才会出现放电的峰值电离随气压升高而降低的现象。对于C2H2/Ar混合气体放电随气压变化，在1.5 Pa时，笼网峰值电流为35 A，而当气压升至5.5 Pa时，笼网峰值电流升至63 A。当气压较低时，笼网峰值电流随气压升高而迅速增加，曲线斜率较大，当气压较高时，笼网峰值电流上升的趋势变缓，曲线斜率略有减小。从粒子碰撞概率的角度来看，气压越高，碰撞概率越大，放电的强度越高。Ar+的轰击工件和笼网会产生大量的二次电子。产生的二次电子弥补了因与C2H2结合而产生的电子数量减少，促进了笼形空心阴极的放电。

图5 C2H2/ Ar/ TMS混合气体放电时笼网峰值电流随气压变化曲线

图6为混合气体放电的发射光谱。光谱强度随着气压的升高而增强。与放电的结果一致。

图6 C2H2 / Ar/ TMS混合气体发射光谱随气压变化

3 结 语

研究了不同气氛下工作气压对可控区域空心阴极放电特性的影响，主要得到以下结论：(1)Ar气氛下，工作气压升高促进空心阴极放电；(2)由于C2H2较强的电负性，纯C2H2气氛下，气压的升高削弱空心阴极放电；(3)Ar/C2H2混合气氛下，工作气压升高，Ar放电产生大量的二次电子，弥补了C2H2消耗的电子，增强空心阴极放电。