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本文自行设计研制了轴对称磁场,动态拱形磁场以及新型可调速调幅的旋转磁场控制下的电弧离子镀弧源。通过有限元模拟对弧源的磁场位形,使役强度进行了优化设计。系统的研究了轴对称磁场对电弧离子镀沉积薄膜表面大颗粒的影响规律以及大颗粒在薄膜表面的分布规律。系统的研究了大颗粒对电弧离子镀沉积TiN和(Ti,Al)N薄膜的性能的影响。系统的研究了各种工艺参数对薄膜表面大颗粒的影响规律。对旋转横向磁场控制的电弧离子镀弧源的使役行为也进行了系统的实验研究。结合实验提出了几种合适的工作模式和参数。提出了耦合磁场增强电弧离子镀沉积工艺并进行了系统的研究。开发了一种提高电弧离子镀沉积薄膜质量的简易装置,并自主开发研制了朗缪尔快速扫描探针系统。
从电弧放电机理出发,结合有限元分析,提出了轴对称磁场对电弧斑点运动的影响机制。随着轴对称磁场强度的增加,电弧斑点从随机运动逐渐转变为快速的旋转运动,并向靶材外沿扩展,展现出有序的可控运动。随着轴对称磁场强度的增加,薄膜表面大颗粒的数目和尺寸大大的减少,大颗粒与薄膜的面积比也大幅度的下降,颗粒在薄膜表面的分布展现出分形的特征,分形维数对靶材料的依赖性大于对磁场的依赖性。随着磁场强度的增加,沉积到薄膜上的大颗粒减少,薄膜的粗糙度降低,达到0.05μm；薄膜的摩擦系数下降,磨损性能提高；薄膜的硬度上升；薄膜的结合力提高；随着大颗粒的减少,薄膜展现出很强择优取向的(111)组织结构,薄膜的晶粒尺寸减小。
控制弧斑运动的磁场是最关键的因素,其他参数对大颗粒的影响规律随着磁场强度的变化而变化。在磁场强度比较低的时候,脉冲偏压、反应气体分压以及基体位置对大颗粒的影响比较大,而随着磁场强度的提高,大颗粒对这些参数的依赖性降低,在高的磁场强度下,大颗粒的分布情况随其他参数的变化不大,因此磁场强度的增加提高了薄膜沉积的均匀性以及减少了大颗粒分布对其他参数的依赖性。
通过调节磁轭内外两个线圈的电流比,可以在靶材表面形成动态分布的拱形磁场,使得弧斑在整个靶面分布运动,提高了靶材利用率和刻蚀均匀性。系统的研究了电流比、靶材厚度、磁轭形状对靶面磁场分布的影响规律,提出了合理的几种工作模式。
突破了传统的静态或准静态的磁场设计以及机械式的动态磁场设计思路,提出了一种新型可调速调幅的旋转磁场控制的电弧离子镀弧源设计方案,通过有限元模拟,对旋转横向磁场控制的电弧离子镀弧源进行了优化设计。旋转磁场发生装置的磁极数对磁场的分布均匀性有很大的影响,磁极越多,产生的旋转磁场也越均匀。采用相位差为120°的三相正弦交流电供电比相位差为90°的两相正弦交流电供电产生的旋转磁场均匀。通过系统的分析确定了最终的方案,并取得了突破性的进展,成功的研制出多模式可调速调幅的旋转横向磁场控制的电弧离子镀弧源。对旋转横向磁场控制的电弧离子镀弧源的使役行为进行了系统的实验研究。该弧源可以改善弧斑的放电形式和工作稳定性,控制弧斑的运动轨迹,使弧斑分裂,极大的提高弧斑的运动速度,提高靶材刻蚀均匀性和靶材利用率,减少靶材大颗粒的发射,可用以制备较高质量的薄膜,拓展了电弧离子镀的应用范围。结合实验提出了几种合适的工作模式和参数。
结合有限元模拟对耦合磁场的分布、极性、位形进行了分析。系统的研究了耦合磁场工艺对电弧离子镀等离子体的分布、离化率、薄膜的表面质量、沉积速率的影响。提出了耦合磁场对薄膜表面大颗粒的减少机制。所开发的双层错位挡板装置可以大幅度减少甚至完全消除薄膜表面的大颗粒,克服了传统挡板大大降低薄膜沉积速率缺点。同时在耦合磁场的辅助下,进一步提高沉积速率,可以用来沉积纳米功能薄膜。
本文为检测电弧等离子体参数,在研制朗缪尔探针工作中,克服了传统探针的误差大、易污染、耗时长的缺点。提出了快速扫描朗缪尔探针系统的设计方案和原理图,初步制作了锯齿波发生模块并进行了测试,信号放大和采集模块正在制作中。