電-磁場(chǎng)復(fù)合增強(qiáng)高功率脈沖磁控放電特性及釩膜制備研究.pdf

1、高功率脈沖磁控濺射技術(shù)（HIPIMS）作為一門(mén)新興的電離化物理氣相沉積技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。相比傳統(tǒng)直流磁控濺射，HIPIMS放電時(shí)具有更高的系統(tǒng)等離子體密度和濺射金屬離化率，同時(shí)制備的膜層具有光滑致密的結(jié)構(gòu)，更高的膜基結(jié)合力，更優(yōu)異的膜層綜合性能等。然而，該技術(shù)存在沉積速率低、電子利用效率差的缺點(diǎn)而嚴(yán)重制約了其發(fā)展。針對(duì)該技術(shù)存在的問(wèn)題，本文提出了一種電-磁場(chǎng)復(fù)合增強(qiáng)高功率脈沖磁控放電的高效、高離化率、高沉積速率新方法，并圍繞該新

2、技術(shù)的放電等離子體特性、發(fā)射光譜特性以及沉積V膜的結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了研究。
　　采用附加電極技術(shù)增強(qiáng)了HIPIMS放電過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)增強(qiáng) HIPIMS技術(shù)。電場(chǎng)增強(qiáng) HIPIMS放電等離子特性研究結(jié)果表明，隨著電極電壓的增加，電極附近電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)分布范圍增大以及基體附近電勢(shì)逐漸變正兩方面的作用使得基體離子電流逐漸增大。隨電極位置由45度位置變化為180度位置時(shí)，基體離子電流呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)。當(dāng)附加電極附加擴(kuò)散型非平衡磁場(chǎng)后，

3、獲得的基體離子電流最大。隨著工作氣壓的增加，不同靶電壓下的基體離子電流均逐漸增加后形成了飽和值。隨著靶基間距的增加基體離子電流平均值逐漸減小。
　　利用同軸電磁場(chǎng)建立了非平衡系統(tǒng)磁場(chǎng)，并將該磁場(chǎng)引入到HIPIMS放電過(guò)程中成功構(gòu)建了磁場(chǎng)增強(qiáng) HIPIMS技術(shù)。利用ANSYS軟件對(duì)陰極靶前磁場(chǎng)分布進(jìn)行了模擬并結(jié)合靶前磁場(chǎng)強(qiáng)度及靶前放電輝光形貌的結(jié)果表明，隨著勵(lì)磁電流的增加，系統(tǒng)磁場(chǎng)非平衡特征增強(qiáng)，較強(qiáng)的非平衡磁場(chǎng)可以有效地將陰極靶前

4、等離子體推進(jìn)到沉積區(qū)域。不同勵(lì)磁電流時(shí)基體離子電流值隨靶電壓的增加而逐漸增加。
　　通過(guò)附加電極調(diào)控真空室內(nèi)電場(chǎng)/電勢(shì)分布，同時(shí)利用同軸電磁線(xiàn)圈來(lái)優(yōu)化陰極靶前磁場(chǎng)分布，最終實(shí)現(xiàn)了電-磁場(chǎng)復(fù)合增強(qiáng)高功率脈沖磁控濺射技術(shù)。通過(guò)對(duì)該技術(shù)放電等離子特性的研究發(fā)現(xiàn)，電-磁場(chǎng)復(fù)合增強(qiáng) HIPIMS放電時(shí)既將靶前等離子體區(qū)充分地聚焦擴(kuò)展到基體處，又將系統(tǒng)的等離子體區(qū)域極大擴(kuò)大，表現(xiàn)出了系統(tǒng)粒子離化率高且系統(tǒng)等離子體密度高的放電特征。電-磁場(chǎng)增強(qiáng)

5、 HIPIMS放電復(fù)合效應(yīng)的產(chǎn)生，對(duì)于電極電壓和勵(lì)磁電流均存在臨界應(yīng)用條件，這是由于電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互競(jìng)爭(zhēng)極大延長(zhǎng)了電子運(yùn)動(dòng)路程，增加了電子碰撞的電離幾率所致。隨電極位置由45度位置變化為180度位置時(shí)，基體離子電流值線(xiàn)性減??；隨電極電壓的增加，基體離子電流值均逐漸增加；隨勵(lì)磁電流的增加，基體離子電流值均線(xiàn)性增加。
　　不同外場(chǎng)增強(qiáng) HIPIMS放電系統(tǒng)等離子體分布研究結(jié)果表明，電場(chǎng)增強(qiáng)HIPIMS放電時(shí)真空室內(nèi)各個(gè)位置處的基體離子電

6、流均增加，系統(tǒng)等離子體密度增幅最高可增加到3倍。磁場(chǎng)增強(qiáng) HIPIMS放電時(shí)隨著勵(lì)磁電流的增加，不同位置處收集的離子電流逐漸增加，系統(tǒng)離子流總量最高可增加到1.75倍。電-磁場(chǎng)復(fù)合增強(qiáng) HIPIMS放電時(shí)真空系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)位置采集的離子電流均有不同程度的增加，并且系統(tǒng)離子電流密度最高可增加到5倍多。
　　等離子體發(fā)射光譜特性研究結(jié)果表明，在相同的平均功率時(shí)，電-磁場(chǎng)復(fù)合增強(qiáng) HIPIMS放電時(shí)系統(tǒng)中存在的Ar(0)、Ar(1+)、V(

7、0)以及V(1+)四種粒子譜線(xiàn)強(qiáng)度最高，尤其是 Ar(1+)和V(1+)峰譜線(xiàn)強(qiáng)度增加幅度較大，同時(shí)系統(tǒng)中出現(xiàn)的V(2+)峰譜線(xiàn)強(qiáng)度也比較高，表明 Ar和V具有較高的離化率，系統(tǒng)具有較高的等離子體密度。
　　采用電-磁場(chǎng)復(fù)合增強(qiáng) HIPIMS技術(shù)制備了V膜，并對(duì)其形貌、結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了對(duì)比分析和研究。結(jié)果表明，相比 HIPIMS，電-磁場(chǎng)復(fù)合增強(qiáng)HIPIMS制備的V膜的(111)晶面衍射峰強(qiáng)度較強(qiáng)；V膜表面SEM形貌呈現(xiàn)出“酒坑狀

8、”表面特征，表面粗糙度較小，表面光滑、平整；V膜膜層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出細(xì)小、致密的等軸細(xì)晶形貌特征，這是由于較高的等離子體束流（能流）密度產(chǎn)生的轟擊密實(shí)效應(yīng)所致。在相同平均功率時(shí) V膜的沉積速率提高了62％。V膜具有更低的摩擦系數(shù)，并且樣品表面未出現(xiàn)明顯的剝落跡象、磨痕輕微。與基體相比，電-磁場(chǎng)復(fù)合增強(qiáng) HIPIMS時(shí) V膜的Icorr下降了2個(gè)數(shù)量級(jí)，Ecor提高了0.785 V，表現(xiàn)出更優(yōu)異的耐腐蝕性能。經(jīng)200℃和300℃加熱處理之后的鍍