石墨阴极弧源复合磁场设计及ta-C薄膜沉积

• 作 者: 张招
• 机 构: 哈尔滨工业大学
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2016年期
• 关键词: 磁场设计 ta-C 多弧离子镀 摩擦磨损

ta-C薄膜是含sp~3键非常高的一种非晶四面体碳基薄膜,因其具有硬度高,摩擦系数小,抗磨性能优异等优良特性,被广泛应用于汽车、电子、生物等领域,具有广泛的市场应用前景。工业应用的ta-C薄膜主要采用石墨靶多弧离子镀沉积。但是石墨作为阴极靶材时,具有致密度低、离化能高、负的温度系数等特点,导致石墨阴极靶燃烧不稳定,严重影响了ta-C薄膜的质量。针对这个问题,本文在石墨靶表面产生一定的磁场位形,使石墨阴极靶燃烧稳定,并在石墨靶保持稳定燃烧的情况下,研究了线圈电流、辅助阳极电流、Ar流量、偏压和弧流对石墨靶放电特性的影响。同时,本文研究了在不同基体负偏压和不同Ar流量下,ta-C薄膜的组织结构和摩擦、腐蚀、结合力等性能。Ansys磁场模拟表明,当励磁线圈产生的磁极与永磁铁产生的磁极相反,且在靶面形成合适的磁场位型时,可限制石墨阴极斑点在一定的区域做旋转运动,使石墨阴极靶燃烧稳定。屏蔽罩的添加可提高石墨阴极靶材的利用率。石墨阴极靶随着烧蚀时间的增加,石墨阴极斑点逐渐靠近靶材的边缘,在靶材边缘形成环形凹坑,导致石墨阴极燃烧不稳定。工艺参数对石墨阴极靶的放电特性影响很大。线圈电流、辅助阳极电流、靶材电流以及偏压的增加都能提高基体的峰值电流。而随着Ar流量的增加,基体的峰值电流不断下降。采用光谱仪对石墨靶前等离子体特性进行测试,发现励磁线圈电流的增加可以提高真空室中的激发态Ar、Ar~+和C~+密度。基体负偏压对ta-C薄膜的组织结构和性能影响较大。当偏压为-100V时,拉曼光谱表征此偏压下sp~3键的含量最高。此时腐蚀电位最高,为-0.472V,同时薄膜的耐腐蚀性能也最好,。而随着Ar流量的增加,薄膜中的sp~3键含量越来越小,同时薄膜的摩擦系数逐渐升高。