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真空阴极电弧离子镀层中宏观颗粒去除技术研究

作　者: 戴华
导　师: 蔡珣；潘健生；沈耀
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料学
关键词: 宏观颗粒脉冲电弧源电磁线圈过滤器复合成分膜多层结构膜
分类号: TB383.1
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 197次
引　用: 5次
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内容摘要

真空阴极电弧离子源具有离化率高(90%以上)、离子能量可控、沉积速率高等优点,广泛应用于等离子体表面改性领域。然而弧源在提供镀膜离子的同时,也会产生直径约为0.1至数百微米的宏观颗粒,这些颗粒大大降低了膜层的表面光洁度,增加了膜层性能的不均匀性,甚至成为贯穿缺陷而严重破坏膜层性能。所以宏观颗粒的存在制约了电弧离子镀工艺在精密镀膜领域的应用。为了去除宏观颗粒,本文提出使用脉冲(叠加直流)电源作为电弧电源,初步降低了弧源发射的宏观颗粒的数量和尺寸;进而设计一种直流可调开放式电磁线圈过滤器,在传输过程中将颗粒过滤掉,获得了较好的颗粒去除效果。使用脉冲电源作为弧电源可以调节阴极斑点处的能量输入,从而降低宏观颗粒污染。计算表明阴极斑点处场致发射电流密度及其加热效应导致的局部区域的最高温度均很高,如Ti靶可达1012A/m2和5000K以上。极高的能量输入使得液态颗粒的产生几乎不可避免(大尺寸液态颗粒凝固即成为宏观颗粒),同时也启示调低能量输入或可降低颗粒数量和尺寸。本文使用脉冲电源作为弧电源进行了这样的尝试。试验结果显示调节脉冲参数可以从一定程度上调节能量输入从而影响到宏观颗粒的数量和尺寸,使用相对小的占空比,高的脉冲频率,小的直流电流分量,阴极产生的宏观颗粒数量下降了约9%到39%,从而获得了一定程度的宏观颗粒去除效果。同时该方法无需添加额外装置,仅将电弧主电源替换为脉冲电源就可实现一定的宏观颗粒去除效果,实施较方便。进一步,本文提出了一种直流可调开放式电磁线圈过滤器,在传输过程中去除绝大部分宏观颗粒。该过滤器继承了管道式过滤器利用电磁场改变离子运动轨迹的特点,能较好地过滤掉宏观颗粒,并且其开放式结构可以避免宏观颗粒通过器壁反弹导致的膜层污染,获得了更好的颗粒去除效果;该过滤器自身具有的电场可吸引更多离子到达过滤器入口,并降低离子在器壁的损失,增强了过滤效率;该过滤器可实现过滤通道曲率可调,从而可以在过滤效率和过滤效果之间取得平衡。试验结果显示,在遮挡良好、无直接视线连接的镀膜区域(也就是具有直线运动轨迹的宏观颗粒无法到达的区域),每平方毫米范围宏观颗粒数量接近于0,相比而言传统管道式过滤器由于存在颗粒反弹,即使无视线连接的镀膜区域,每平方毫米范围宏观颗粒数量的典型值也在103数量级。同时,饱和离子电流探针试验结果显示当线圈电流在50 A到250 A范围内时,过滤器效率随线圈电流单调增大,最高过滤效率可达2%左右,优于大部分文献报道的90°管道式过滤器的过滤效率(低于1%)。另外,针对复合成分和多层结构膜的镀制,本文还提出了具有公用混合通道的双通道线圈过滤器,利用混合通道磁场对离子的聚焦效应,达到离子混合、均化的效果,从而获得较好的镀膜均匀性;利用双靶并调节弧电流可以方便地在一定范围内调节复合膜的成分比。为了检验线圈过滤器在实际镀膜中的应用效果,本文使用单通道和双通道的过滤器镀制了AlN、TiAlN复合成分膜和TiN/AlN多层膜。单通道过滤器镀制AlN薄膜的表面光洁度得到了大幅提高,这表明了过滤器的过滤效果良好。双通道过滤器镀制TiAlN薄膜的抗高温氧化性能得到了较大程度提高,相比较未经过滤的TiAlN薄膜来说,700℃保温1小时的氧化增重下降了54%。双通道线圈过滤器制备TiN/AlN多层膜的分析结果显示,该过滤器可以成功用于制备多层膜,其多层结构特征经由X射线光电子谱仪(XPS)的离子束溅射深度剖析测试和低角度X射线衍射(LAXRD)测试结果得到了证明。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第1章绪论  11-41
  1.1 引言  11-12
  1.2 阴极电弧源  12-17
    1.2.1 阴极斑点的特点  13-14
    1.2.2 液态颗粒的特点  14-15
    1.2.3 影响宏观颗粒数量和尺寸的因素  15-17
  1.3 去除宏观颗粒的现有技术  17-25
    1.3.1 阴极电弧源的改进  17-18
    1.3.2 宏观颗粒的过滤  18-25
  1.4 AlN 膜、TiAlN 膜以及多层结构膜  25-29
    1.4.1 AlN 膜层的研究现状  26-27
    1.4.2 TiAlN 膜以及多层结构膜的研究现状  27-29
  1.5 选题意义及主要研究内容  29-31
  1.6 参考文献  31-41
第2章宏观颗粒产生以及去除的理论分析  41-54
  2.1 引言  41
  2.2 利用脉冲电弧电源降低宏观颗粒污染的思路  41-48
    2.2.1 阴极斑点处电流密度的理论计算  41-44
    2.2.2 真空阴极电弧放电的加热机制  44-46
    2.2.3 利用脉冲电弧电源降低液态颗粒污染的思路  46-48
  2.3 磁场过滤器的一般理论  48-52
  2.4 参考文献  52-54
第3章试验思路及方法  54-69
  3.1 试验思路  54-55
  3.2 试验设备及材料  55-57
  3.3 检测、分析方法及仪器  57-58
  3.4 镀膜均匀性的测量  58-66
    3.4.1 基本原理  59-61
    3.4.2 改进的测量过程  61
    3.4.3 对测量的其它改进  61-65
    3.4.4 测量结果可信度研究  65-66
  3.5 本章小结  66-68
  3.6 参考文献  68-69
第4章采用脉冲电源降低宏观颗粒污染的研究  69-80
  4.1 引言  69
  4.2 试验参数及宏观颗粒照片分析方法  69-71
  4.3 脉冲频率对宏观颗粒的影响  71-75
  4.4 占空比对宏观颗粒的影响  75-78
  4.5 本章小结  78-79
  4.6 参考文献  79-80
第5章采用线圈过滤器去除宏观颗粒的研究  80-110
  5.1 引言  80
  5.2 线圈过滤器的设计原理  80-85
    5.2.1 可调式  81-82
    5.2.2 开放式  82-84
    5.2.3 电磁线圈  84-85
  5.3 线圈过滤器的关键设计因素  85-93
    5.3.1 线圈过滤器电源的选择  86-87
    5.3.2 单通道线圈过滤器的关键设计因素  87-92
    5.3.3 双通道线圈过滤器的关键设计因素  92-93
  5.4 线圈过滤器的过滤效率  93-103
    5.4.1 探针偏压的选择  94-95
    5.4.2 过滤效率与线圈电流的关系  95-99
    5.4.3 过滤效率与线圈电位的关系  99-102
    5.4.4 过滤效率的其它影响因素  102-103
  5.5 线圈过滤器的过滤效果  103-106
  5.6 本章小结：线圈过滤器的优势以及不足  106-108
  5.7 参考文献  108-110
第6章线圈过滤器在制膜中的应用  110-130
  6.1 引言  110
  6.2 单通道线圈过滤器在制膜中的应用  110-114
    6.2.1 制备方法  110-111
    6.2.2 AlN 膜的表面形貌  111-114
    6.2.3 小结  114
  6.3 双通道线圈过滤器在制膜中的应用  114-127
    6.3.1 制备方法以及电弧不稳定性  114-116
    6.3.2 膜厚均匀性  116-118
    6.3.3 TiAlN 膜的成分和性能  118-122
    6.3.4 TiN/AlN 纳米多层膜制备初探  122-126
    6.3.5 小结  126-127
  6.4 参考文献  127-130
第7章结论及创新点  130-133
致谢  133-135
攻读学位期间发表的学术论文  135

真空阴极电弧离子镀层中宏观颗粒去除技术研究

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