脈沖偏壓電弧離子鍍的工藝基礎(chǔ)研究.pdf

1、電弧離子鍍(Arc Ion Plating，AIP)是三大PVD薄膜制備技術(shù)(電弧離子鍍、磁控濺射及蒸發(fā)鍍)之首，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛，是TiN類硬質(zhì)薄膜合成的不可替代的生產(chǎn)工藝，曾在二十世紀(jì)八十年代里引起過一場(chǎng)廣泛的刀具技術(shù)革命。但是傳統(tǒng)的電弧離子鍍還存在著大顆粒污染、沉積溫度相對(duì)較高和易引發(fā)微弧擊穿效應(yīng)等諸多不足，一直制約著它不能在精細(xì)薄膜、低溫沉積和功能薄膜等方面的應(yīng)用，如何克服這些不足是電弧離子鍍乃至當(dāng)今薄膜技術(shù)領(lǐng)域所急待解

2、決的問題。 脈沖偏壓電弧離子鍍(Pulsed Bias Arc Ion Plating，PBAIP)是二十世紀(jì)末產(chǎn)生的離子鍍先進(jìn)技術(shù)之一，具有克服傳統(tǒng)電弧離子鍍諸多不足的潛力，但在其產(chǎn)生后的十幾年間由于受到一些重要的基礎(chǔ)問題的限制而未能迅速發(fā)展。本論文針脈沖偏壓電弧離子鍍的等離子體負(fù)載特性、沉積溫度的計(jì)算預(yù)測(cè)、大顆粒凈化機(jī)制和沉積絕緣薄膜的可行性等幾個(gè)方面的重要基礎(chǔ)問題進(jìn)行系統(tǒng)而深入的研究。這些問題的研究和解決不但對(duì)電弧離子鍍本

3、身的新技術(shù)開發(fā)至關(guān)重要，對(duì)整個(gè)離子鍍領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展也將起到積極的促進(jìn)作用。 1.在脈沖偏壓電弧離子鍍的等離子體負(fù)載特性研究方面： 通過實(shí)測(cè)電弧離子鍍的等離子體負(fù)載回路的電壓與電流，發(fā)現(xiàn)在脈沖偏壓作用下的信號(hào)波形的異常現(xiàn)象，電壓與電流表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性關(guān)系；基于等離子體鞘層理論對(duì)負(fù)載性質(zhì)進(jìn)行分析，結(jié)合外接類比實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)仿真分析，明確了在脈沖偏壓作用下電弧離子鍍的等離子體負(fù)載表現(xiàn)出容阻并聯(lián)的復(fù)雜特性，它在整個(gè)回路中可以等效

4、成一個(gè)電容與電阻的并聯(lián)元件單元；用等離子體鞘層理論輔以電工學(xué)理論對(duì)等離子體負(fù)載的電容與電阻進(jìn)行了定量描述，建立起了負(fù)載一脈沖電參數(shù)一等離子體微觀參量之間的聯(lián)系；用朗繆爾探針對(duì)電弧離子鍍的等離子體進(jìn)行診斷，得到在一般工作條件下等離子體中的電子溫度范圍為2.5l-6.64eV，密度為1018m-3數(shù)量級(jí)，等離子體電位在+5~+15V之間；從而計(jì)算得出電弧離子鍍的負(fù)載電容在10-2 10-u F范圍內(nèi)，而電阻為幾百歐姆大小。 等離子體

5、負(fù)載特性的研究結(jié)果對(duì)脈沖電源的合理設(shè)計(jì)和對(duì)其它基礎(chǔ)問題的深入研究中起到重要指導(dǎo)作用。應(yīng)用負(fù)載特性結(jié)果，對(duì)直流偏壓與脈沖偏壓工藝的本質(zhì)差別，脈沖電源元器件燒損、沉積溫度不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、工藝重復(fù)性差的本質(zhì)原因等問題給出合理解釋。最后從實(shí)際鍍膜生產(chǎn)出發(fā)，給出提高工藝穩(wěn)定性的具體有效措施。 2.在沉積溫度的計(jì)算預(yù)測(cè)方面： 在以往工作基礎(chǔ)上繼續(xù)深入進(jìn)行溫度的計(jì)算預(yù)測(cè)工作：新一代的脈沖偏壓電源能夠提供規(guī)范化的脈沖波形，允許擬合出離子轟

6、擊的入射功率，應(yīng)用基于能量平衡原理建立的基體溫度計(jì)算模型，計(jì)算出不同工藝條件下的沉積溫度。對(duì)計(jì)算結(jié)果用實(shí)測(cè)溫度來(lái)檢驗(yàn)，表明沉積溫度的計(jì)算與實(shí)際值基本吻合，預(yù)測(cè)在50K誤差范圍內(nèi)有效。 沉積溫度的計(jì)算預(yù)測(cè)對(duì)沉積溫度的具體設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)低溫沉積起到重要指導(dǎo)作用。 3.在脈沖偏壓電弧離子鍍的大顆粒凈化機(jī)制研究方面： 通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)在脈沖偏壓電弧離子鍍中離子轟擊作用并不是大顆粒被凈化的真正原因；分析大顆粒在等離子體中的運(yùn)動(dòng)規(guī)

7、律及其與等離子體鞘層的相互作用規(guī)律，建立起大顆粒的充電凈化機(jī)制；用正交實(shí)驗(yàn)和大顆粒在鞘層中的受力分析與計(jì)算，證實(shí)了大顆粒凈化機(jī)制成立：即大顆粒之所以被凈化，是由于在脈沖偏壓作用下的擾動(dòng)鞘層中它能夠被充有更多的負(fù)電量，從而能感受到負(fù)偏壓電場(chǎng)的排斥所致。 大顆粒凈化機(jī)制對(duì)以提高表面質(zhì)量為目的的工藝優(yōu)化起到指導(dǎo)作用，使脈沖偏壓電弧離子鍍?cè)诓皇褂酶郊拥倪^濾器的情況下，滿足沉積納米多層超硬薄膜的要求，從而實(shí)現(xiàn)了用電弧離子鍍能合成精細(xì)薄膜的

8、工藝拓展。 4.在脈沖偏壓電弧離子鍍沉積絕緣薄膜的可行性研究方面： 在自行設(shè)計(jì)的增強(qiáng)磁過濾的電弧離子鍍?cè)O(shè)備上，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并制備了一系列TiO2薄膜：測(cè)試與表征結(jié)果表明TiO2薄膜的沉積質(zhì)量良好，且組織結(jié)構(gòu)以及性能與脈沖偏壓有著強(qiáng)烈的依賴關(guān)系；應(yīng)用絕緣基片的脈沖偏壓等離子體鞘層動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象給出合理解釋，進(jìn)而形成脈沖偏壓電弧離子鍍制備絕緣類功能薄膜的可行性條件： (1)微弧抑制條件：基片表面的充電電場(chǎng)不能超過