《Applied Nursing Research》：Heaterless large-area coaxial hollow cathode arc discharge with programmable plasma beam scanning for uniform and scalable thin-film deposition
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开发了一种无需加热的大面积同轴空心阴极弧放电（LACOHCAD）系统，集成可编程等离子束扫描结构（PBSS），通过磁约束和多尖峰场增强实现均匀薄膜沉积。实验表明，低气体流量和高磁场强度显著提升等离子体密度与束流均匀性，电子能量分布从麦克斯韦分布向双麦克斯韦分布转变，氮气解离增强，最终在Cr–N和DLC薄膜中表现出优异的大面积均匀性（≤±5%）和微观结构密度，验证了该系统作为高效、可扩展工业等离子源的有效性。
赵胜福|李颖|李志强|谭崇伟|王建雄|谭一凯|林雅云|施旭|Phua Eric Jian Rong|Beng Kang Tay
新加坡NTI-NTU企业实验室（NTI-NTU Corp Lab）
摘要
我们开发了一种无加热器的大面积同轴空心阴极弧放电（LACOHCAD）系统，该系统结合了可编程等离子体束扫描结构（PBSS），用于实现可扩展且均匀的薄膜沉积。通过螺旋线圈和多尖端磁约束的组合，实现了高电离效率和稳定运行，而无需热电子加热。朗缪尔探针和SCIC诊断结果显示，较低的气体流量和更强的磁场显著提高了等离子体密度和束流均匀性。电子能量分布函数（EEDF）分析表明，随着电弧和线圈电流的增加，电子能量分布从麦克斯韦分布转变为双麦克斯韦分布，这表明更高能量的电子促进了电离过程。光学发射光谱（OES）证实，在磁场约束下氮的解离和活化作用增强，这与Cr–N涂层中氮含量的增加相吻合。DLC和Cr–N薄膜的实验结果表明，该系统具有优异的大面积均匀性（≤±5%）和改善的微观结构密度，验证了LACOHCAD–PBSS系统作为一种多功能、高效且可工业扩展的等离子体源，适用于先进的涂层应用。
引言
带有热电子发射器（例如钨/钽等难熔金属或LaB6等低功函数插入物）的空心阴极弧放电（HCAD）系统在基础研究和应用研究中被广泛研究了几十年[[1], [2], [3], [4], [5]]。这些等离子体源通过在惰性气体（通常是氩气）中产生热电子发射来工作，在空心阴极和外部阳极之间形成高密度放电。HCAD机制依赖于空心阴极效应和热电子发射的协同作用：阴极通过外部加热或等离子体诱导加热被加热到电子发射温度（低于其熔点），从而维持自持的电弧放电。这一过程产生高电子电流密度（10–100 A/cm2 [6,7]），特别适用于物理气相沉积（PVD），因为额外的等离子体活化可以提高薄膜生长速率、电离气体通量和反应性气体解离，最终改善涂层质量[8,9]。尽管存在其他点火方法（例如脉冲高压或磁辅助[10,11]），但本工作重点关注无加热器设计，通过控制功率输入将空心阴极放电（HCD）转变为自持的空心阴极弧（HCA）模式。
低电压电子束（LVEB）是一组在空心阴极管内产生并通过阴极和阳极之间的电场加速向阳极传播的定向电子。HCAD等离子体的高密度特性归因于其电子能量分布，通常有利于低能量电离碰撞[12]。通常，传统HCAD产生的等离子体密度在1012 cm?3范围内，根据EEDF，电子能量高于周围气体或蒸汽中的粒子电离能量，但由于其束流特性，电离效率非常不均匀[[13], [14], [15], [16]]。
然而，传统的空心阴极等离子体源在实现大面积均匀等离子体分布方面存在显著限制，这对于工业应用中的规模化至关重要。这可能限制了它们在某些情况下的可用性和效率，因此需要持续的研究和开发来提高其性能。文献中已经指出，磁场是影响电子束的主要方法[17,18]。此外，等离子体源可以并排排列或组成阵列，以在某些高气体负荷的工业设备中实现更宽的等离子体羽流覆盖范围，但这种方法会增加设备成本并降低工艺重复性和稳定性。
有一种有前景的方法可以提高等离子体均匀性，即在阴极管外部布置发散磁场。这种方法不仅可以减少气体流量一个数量级，而且不会失去放电能力[20]。使用轴向磁场时，气体流量的减少会增加放电阻抗，最重要的是可以提高等离子体密度，同时实现更好的电离均匀性和更大的体积扩展[21]。但是，等离子体分布的均匀性仍然受到静态永磁场设计（螺旋线圈）和源的几何设计的影响[3]。
在这项工作中，我们提出了一种无加热器的大面积同轴空心阴极弧放电（LACOHCAD）系统，该系统结合了等离子体束扫描策略，用于实现可扩展的薄膜沉积。研究结合了局部等离子体诊断和全局离子通量测量，以阐明在不同磁约束和气体流量条件下的放电特性，并将这些参数与涂层均匀性和微观结构质量相关联。通过实施动态束流导向、多层工艺集成和空心阴极增强，我们旨在在晶圆级和柔性基底上实现均匀、缺陷最小化且成分可调的涂层。预期结果是一个多功能、高吞吐量的涂层平台的实验验证，能够满足先进工业应用对均匀性、可扩展性和功能性能的要求。
部分摘录
实验系统和功能区域
等离子体由安装在高真空不锈钢腔室中的无加热器同轴空心阴极弧放电（HCAD）源产生。该源包括一个钽制空心阴极管、一个将氩气直接输送到阴极腔内的陶瓷气体流量连接器，以及一个定义等离子体提取路径的孔板。从阴极表面发射的电子与中性氩原子碰撞引发电离，产生的等离子体沿轴向扩展
等离子体诊断
本研究中的等离子体诊断结合了局部电子属性测量和全局离子通量量化，以全面评估无加热器HCAD源在不同操作条件下的性能。诊断策略旨在建立微观等离子体行为与宏观放电性能之间的定量关联。测量了局部等离子体参数，包括电子温度、电子密度和离子饱和电流
结论
本研究介绍了一种独特的无加热器大面积同轴空心阴极弧放电平台，该平台与可编程PBSS集成，能够在晶圆级和柔性基底上实现高度均匀、可调且可扩展的薄膜沉积。通过结合轴向磁约束、多尖端场增强和动态束流导向，该系统在减少气体流量的情况下维持高密度等离子体，无需阴极加热，有效解决了长期存在的热能问题
CRediT作者贡献声明
赵胜福：撰写——初稿、方法论、数据管理、概念构思。李颖：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、正式分析。李志强：正式分析、数据管理。谭崇伟：撰写——审阅与编辑、项目管理。王建雄：方法论、正式分析。谭一凯：数据管理。林雅云：数据管理。施旭：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。Phua Eric Jian Rong：撰写——审阅与
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢Nanofilm Technologies International Ltd.和NTI-NTU企业实验室的支持。特别感谢南洋理工大学电气与电子工程学院及Temasek实验室提供关键设施的使用权。
