微弧區(qū)間伏安特性對Ti及TiN鍍層結構與性能的影響.pdf

1、針對磁控濺射鍍料粒子離化率低和陰極電弧離子鍍存在高溫熔滴噴濺等技術不足，依據陰極磁場可約束氬離子對靶面的轟擊區(qū)域，和在接收到相同強度氬離子轟擊時靶面晶界等微缺陷處的電子逸出速率較晶內大約30％，并且電子逸出速率的沿面不均衡度又會被焦耳熱效應（Q=I2Rt）加劇這一等離子體物理學原理，本文通過對磁控陰極與真空腔壁之間電流步進增量和不同模式脈沖電場特性的調控，誘發(fā)出以靶電流作為靶面電子逸出總量表征的、靶面微缺陷處電子逸出速率可循環(huán)自增的靶面

2、微弧放電狀態(tài)，由此引發(fā)陰極靶面鍍料粒子以碰撞誘導熱發(fā)射方式脫靶。據此研究了具有不同伏安特性的氣體放電輝光區(qū)、微弧區(qū)和弧光區(qū)對鍍料粒子脫靶方式的影響規(guī)律；分析了脫靶方式對離子鍍鍍層微觀結構和力學與摩擦學性能的影響機理，得到如下研究結果：
　　對陰極Ti靶與陽極真空腔體間氣體放電伏安特性曲線的測定發(fā)現，在直流步進增量式電場模式下，滿足磁控陰極靶面誘發(fā)微弧放電的最小靶電流密度為0.175A/cm2（即輝光放電區(qū)和微弧放電區(qū)的臨界轉變靶電

3、流密度為0.175A/cm2）。通過對誘發(fā)微弧放電后靶面刻痕的觀察，陰極靶面呈現離散分布的溝壑狀，有別于鍍料粒子以級聯碰撞脫靶后的不規(guī)則凹坑形貌和場致熱發(fā)射脫靶后的細小圓形融坑形貌。揭示出誘發(fā)靶面微弧放電狀態(tài)可使靶面缺陷區(qū)域的鍍料粒子由級聯碰撞脫靶演變?yōu)榕鲎舱T導熱發(fā)射脫靶。在微弧放電區(qū)間靶電流密度為0.267A/cm2時制備的純Ti鍍層，沿靶基距方向的厚度遞減速率僅為72.1%，且表現出平整致密的柱狀結構（粗糙度Ra為12nm），而表面

4、并未出現微米尺寸的大顆粒。膜基結合強度的測定結果表明，該鍍層的膜基結合力為34.0N。同時發(fā)現，直流步進增量式電場模式雖可誘發(fā)出靶面微弧放電狀態(tài)，但稍長的微弧放電持續(xù)時間，則會因微區(qū)溫升達到甚至超過靶材熔點而產生微區(qū)熔融，影響了鍍層制備工藝的實施。
　　通過獨立調制脈沖條件下靶面峰值電流導通寬度Ton和關斷寬度Toff，實現既可使靶面始終處于微弧放電狀態(tài)，又可避免因過度的熱積累而致靶面產生微區(qū)熔融。同時發(fā)現，在Ton=24.5μs

5、和Toff=0.5μs的脈沖電場模式下，輝光放電區(qū)與微弧放電區(qū)的臨界轉變靶電流密度為0.225A/cm2。由于誘發(fā)與維持微弧放電狀態(tài)需靶面溫升作為前提條件，而脈沖電場較直流電場減緩了靶面的溫升效果，確定了脈沖電場模式相較直流電場模式需要更大的靶電流密度才能誘發(fā)陰極靶面微弧放電狀態(tài)。此時，在微弧放電區(qū)內，當靶電流密度由0.310增大至0.357A/cm2時所制備的純Ti鍍層，沿靶基距方向的厚度遞減速率由84降低至80%，而鍍層的膜基結合力

6、由15.3增大至25.2N。揭示出在該脈沖電場微弧放電區(qū)間較大靶電流密度條件下，可明顯降低鍍層沿靶基距方向的厚度遞減速率和提升鍍層的膜基結合力。
　　利用脈沖電場等通量原理，通過對Tnfo的和o合理調配，可在相同平均功率下獲得較直流電場模式數倍增長的峰值靶電流密度，以此利于實現陰極靶面微弧放電狀態(tài)的誘發(fā)與維持。并且，還構建出一個Ton周期內先小后大遞進式的雙脈沖電場模式，既滿足了鍍料粒子快速脫靶以獲得細小晶粒鍍層的高峰值電流的工藝

7、要求，又達到了增加脈沖導通寬度以提高鍍層平均沉積速率的效能目標。對采用不同電場模式在微弧放電區(qū)相同靶功率下制備純Ti鍍層的研究結果表明：雙脈沖電場模式制備純Ti鍍層的平均沉積速率為80nm/min，實際沉積速率為132nm/min，且鍍層具有致密的組織結構和12.0N的膜基結合力。另一方面，對采用雙脈沖電場模式在微弧放電區(qū)內不同峰值靶電流密度下制備純Ti鍍層的研究結果表明：當峰值靶電流密度由0.27增大至1.35A/cm2時，鍍層的平均