脈沖偏壓電弧離子鍍的工藝基礎研究.pdf

1、電弧離子鍍(Arc Ion Plating，AIP)是三大PVD薄膜制備技術(電弧離子鍍、磁控濺射及蒸發(fā)鍍)之首，在工業(yè)生產中應用最為廣泛，是TiN類硬質薄膜合成的不可替代的生產工藝，曾在二十世紀八十年代里引起過一場廣泛的刀具技術革命。但是傳統(tǒng)的電弧離子鍍還存在著大顆粒污染、沉積溫度相對較高和易引發(fā)微弧擊穿效應等諸多不足，一直制約著它不能在精細薄膜、低溫沉積和功能薄膜等方面的應用，如何克服這些不足是電弧離子鍍乃至當今薄膜技術領域所急待解

2、決的問題。 脈沖偏壓電弧離子鍍(Pulsed Bias Arc Ion Plating，PBAIP)是二十世紀末產生的離子鍍先進技術之一，具有克服傳統(tǒng)電弧離子鍍諸多不足的潛力，但在其產生后的十幾年間由于受到一些重要的基礎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載特性、沉積溫度的計算預測、大顆粒凈化機制和沉積絕緣薄膜的可行性等幾個方面的重要基礎問題進行系統(tǒng)而深入的研究。這些問題的研究和解決不但對電弧離子鍍本

3、身的新技術開發(fā)至關重要，對整個離子鍍領域的技術發(fā)展也將起到積極的促進作用。 1.在脈沖偏壓電弧離子鍍的等離子體負載特性研究方面： 通過實測電弧離子鍍的等離子體負載回路的電壓與電流，發(fā)現(xiàn)在脈沖偏壓作用下的信號波形的異?，F(xiàn)象，電壓與電流表現(xiàn)出復雜的非線性關系；基于等離子體鞘層理論對負載性質進行分析，結合外接類比實驗和計算機仿真分析，明確了在脈沖偏壓作用下電弧離子鍍的等離子體負載表現(xiàn)出容阻并聯(lián)的復雜特性，它在整個回路中可以等效

4、成一個電容與電阻的并聯(lián)元件單元；用等離子體鞘層理論輔以電工學理論對等離子體負載的電容與電阻進行了定量描述，建立起了負載一脈沖電參數(shù)一等離子體微觀參量之間的聯(lián)系；用朗繆爾探針對電弧離子鍍的等離子體進行診斷，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，等離子體電位在+5~+15V之間；從而計算得出電弧離子鍍的負載電容在10-2 10-u F范圍內，而電阻為幾百歐姆大小。 等離子體

5、負載特性的研究結果對脈沖電源的合理設計和對其它基礎問題的深入研究中起到重要指導作用。應用負載特性結果，對直流偏壓與脈沖偏壓工藝的本質差別，脈沖電源元器件燒損、沉積溫度不能準確預測、工藝重復性差的本質原因等問題給出合理解釋。最后從實際鍍膜生產出發(fā)，給出提高工藝穩(wěn)定性的具體有效措施。 2.在沉積溫度的計算預測方面： 在以往工作基礎上繼續(xù)深入進行溫度的計算預測工作：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，應用基于能量平衡原理建立的基體溫度計算模型，計算出不同工藝條件下的沉積溫度。對計算結果用實測溫度來檢驗，表明沉積溫度的計算與實際值基本吻合，預測在50K誤差范圍內有效。 沉積溫度的計算預測對沉積溫度的具體設計以及實現(xiàn)低溫沉積起到重要指導作用。 3.在脈沖偏壓電弧離子鍍的大顆粒凈化機制研究方面： 通過實驗證實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動規(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制；用正交實驗和大顆粒在鞘層中的受力分析與計算，證實了大顆粒凈化機制成立：即大顆粒之所以被凈化，是由于在脈沖偏壓作用下的擾動鞘層中它能夠被充有更多的負電量，從而能感受到負偏壓電場的排斥所致。 大顆粒凈化機制對以提高表面質量為目的的工藝優(yōu)化起到指導作用，使脈沖偏壓電弧離子鍍在不使用附加的過濾器的情況下，滿足沉積納米多層超硬薄膜的要求，從而實現(xiàn)了用電弧離子鍍能合成精細薄膜的

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： 在自行設計的增強磁過濾的電弧離子鍍設備上，設計實驗并制備了一系列TiO2薄膜：測試與表征結果表明TiO2薄膜的沉積質量良好，且組織結構以及性能與脈沖偏壓有著強烈的依賴關系；應用絕緣基片的脈沖偏壓等離子體鞘層動力學模型，對實驗現(xiàn)象給出合理解釋，進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不能超過