濺射離子鍍的磁場組態(tài)效能表征和微弧離子鍍電場作用機制模型建立.pdf

1、磁控濺射離子鍍技術(shù)因具有沉積溫度低、鍍層成分易于精確配比、鍍層顆粒精細等特點,而使該技術(shù)在模具、刃具、光學(xué)器件和高檔裝飾品等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中倍受青睞。本文基于鍍層厚度在三維空間內(nèi)分布不勻,即鍍料粒子呈不均勻分布狀態(tài)的運動規(guī)律,優(yōu)化設(shè)計了五種非平衡度的非平衡磁控陰極和六種閉合狀態(tài)的磁控系統(tǒng),表征了不同磁場組態(tài)下 Cr鍍層的沉積效果,結(jié)合Ansys有限元分析軟件對磁場組態(tài)的計算結(jié)果和Langmuir探針對氣體放電等離子體的實測數(shù)據(jù),揭示磁場參

2、量在濺射機制范疇內(nèi)對鍍層沉積效果干預(yù)作用的局限性,從等離子體物理學(xué)角度剖析當(dāng)前運行于氣體輝光放電區(qū)間的磁控濺射離子鍍技術(shù)難以將鍍料粒子充分離化的必然性?；趯怏w放電伏安特性的深入理解,提出了采用高頻脈沖電場將氣體放電維持于輝光放電向弧光放電過渡的非穩(wěn)定臨界微弧狀態(tài),使鍍料脫靶機制發(fā)生由“級聯(lián)碰撞”向“熱發(fā)射”轉(zhuǎn)變的理論模型,并通過提高瞬時氣體放電強度實驗結(jié)果初步驗證了微弧離子鍍原理的可行性。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴磁場參量的

3、設(shè)計、測量與模擬。采用非平衡度K值作為非平衡態(tài)磁控陰極磁力線發(fā)散程度表征參量。通過調(diào)整四個磁控陰極內(nèi)的外沿磁鐵的“N”、“S”極性的排列順序,可使磁控系統(tǒng)獲得不閉合態(tài)、半閉合態(tài)和完全閉合態(tài)。經(jīng)Ansys軟件將不同磁場組態(tài)的磁力線分布狀態(tài)進行模擬:磁控陰極的磁力線向遠離靶材表面區(qū)域的發(fā)散程度與K值成正比,不閉合態(tài)磁場中相鄰磁控陰極之間由于彼此外沿磁鐵磁性相斥而形成鏡像型磁場,完全閉合態(tài)磁場中每對相令B的磁控陰極之間的磁力線均收尾相連形成封

4、閉型磁場,同時也均勻地擴展至遠離靶材表面區(qū)域的真空腔中央。
　?、拼艌鼋M態(tài)對鍍層沉積效果表征。非平衡磁控陰極K值的改變未能出現(xiàn)將鍍料擴散至遠離靶材表面的區(qū)域,所以依靠磁場非平衡度的作用功效難以改善鍍層厚度的均勻性。磁場非平衡度的改變,僅能因不同的磁控放電伏安特性而產(chǎn)生鍍層厚度的差異。不同非平衡度磁場環(huán)境對鍍層微觀形貌的影響效果僅在距離靶材表面較近的60mm范圍內(nèi)有明顯體現(xiàn),隨著靶基徑向距離的增大,不同非平衡磁場參量下的鍍層微觀形貌

5、趨于相似,無明顯差異特征。磁控系統(tǒng)在不閉合、半閉合和完全閉合狀態(tài)下,均不能改善鍍層厚度沿靶基徑向銳減的趨勢。不同磁場閉合狀態(tài)下,隨著磁場閉合程度的增加,沉積Cr鍍層由稀疏的柱狀晶組織轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅艿闹鶢罹ЫM織再轉(zhuǎn)變?yōu)闊o明顯柱狀晶形貌的晶體組織。
　?、遣煌艌鼋M態(tài)條件下的等離子體診斷分析。由Langmuir探針對真空腔內(nèi)不同位置處等離子體分布的實測結(jié)果可以證實,隨著磁控陰極K值的增大,磁力線發(fā)散程度的加強導(dǎo)致了束縛于臨近靶材表面區(qū)域的

6、等離子體密度顯著降低,但向遠離靶材表面方向擴展等離子體區(qū)域的期望僅在距離靶材表面60mm范圍以內(nèi)易于實現(xiàn)。故有且僅有在此范圍內(nèi)時鍍層的沉積效果能受到磁控陰極K值的明顯干預(yù)。磁場完全閉合態(tài)的情況時因為相鄰磁控陰極間封閉型磁場的存在,使真空腔內(nèi)則出現(xiàn)等離子體密度越至腔體中心越高于臨近靶材表面區(qū)域的現(xiàn)象。封閉的磁控系統(tǒng)可以依靠進一步提高的基片偏流密度消除單一磁控陰極工作時鍍層生長的“陰影效應(yīng)”,且磁力線閉合程度的增強能改變鍍層柱狀生長模式。<

7、br>　　⑷微弧離子鍍電場作用機制的理論推演。由真空腔內(nèi)實測氣體輝光放電等離子體密度分布狀態(tài)和鍍層厚度分布狀態(tài)的不一致性,證實濺射過程中的鍍料粒子屬性絕大多數(shù)為不受電磁場約束的中性原子。濺射范疇內(nèi)的鍍料粒子離化率低的主要原因是真空腔內(nèi)的電子、鍍料粒子及氣體原子三者數(shù)量之間存在數(shù)量級差異,因而導(dǎo)致電子與鍍料粒子的碰撞電離幾率極低。提高陰陽極間電場強度,將氣體放電維持于輝光放電向弧光放電過渡的非穩(wěn)定臨界微弧狀態(tài),可以增大電子密度和電子溫度,