【摘要】：陰極弧技術(shù)具有離化率高、離子能量高、沉積速度快、膜基結(jié)合力好等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。但隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)于薄膜質(zhì)量要求也逐漸提高,而眾多研究表明,等離子體密度是影響薄膜質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)陰極弧是直流電源供電,增加直流電源電流,可以提高等離子體密度,但極易受到水冷、磁場(chǎng)等限制,而且更大弧流還會(huì)產(chǎn)生更多大顆粒,因此增加直流電源電流對(duì)于提高等離子體密度能力有限,以上因素嚴(yán)重制約了它的發(fā)展。而脈沖陰極弧的出現(xiàn),突破了上述限制,有效地提高了等離子體密度。但脈沖陰極弧在其放電等離子體特性規(guī)律和薄膜結(jié)構(gòu)及性能方面缺乏系統(tǒng)研究。因此,本文利用自行研制的脈沖陰極弧系統(tǒng)(pulse-enhanced vacuum arc evaporation-PEVAE)對(duì)其放電等離子體特性和制備的Ti(Si,C)N薄膜結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行深入研究。直流陰極弧作為比較也進(jìn)行同樣的研究。在氮?dú)夥蘸投嘣旌蠚怏w中進(jìn)行基體電流測(cè)試,發(fā)現(xiàn)PEVAE場(chǎng)致電子發(fā)射增強(qiáng),電子碰撞粒子幾率增加,從而粒子離化增加,等離子體密度增加,因此基體平均電流提高。靶基距增加,氣體碰撞分散效應(yīng)增加,且等離子體密度降低,基體平均電流降低,但PEVAE的基體平均電流降低較慢,且PEVAE的脈沖電流越大,基體平均電流下降速度越慢。等離子體發(fā)射光譜特性研究發(fā)現(xiàn)PEVAE增強(qiáng)了電子發(fā)射,更多電子與粒子碰撞使其電離增多,等離子體密度增加,進(jìn)而提高了粒子光譜強(qiáng)度與金屬離化率。氮?dú)鈿鈮汉投嘣旌蠚怏w氣壓增加以及C_2H_2分壓增加,粒子光譜強(qiáng)度下降,金屬離化率也下降,但PEVAE模式下金屬離化率降低速度較小,且PEVAE脈沖電流越大,金屬離化率降低速度越小�；“哌\(yùn)動(dòng)特性研究發(fā)現(xiàn)PEVAE脈沖電流高,所以弧斑個(gè)數(shù)增加,弧斑運(yùn)動(dòng)速度加快。長(zhǎng)時(shí)曝光發(fā)現(xiàn)PEVAE弧斑連成圓弧形且在圓弧形上分散著枝杈,枝杈出現(xiàn)的頻次與脈沖頻率對(duì)應(yīng),枝杈尺寸隨著弧脈沖電流增加而增大。PEVAE有效抑制了靶材表面毒化,可將弧斑占靶材表面的面積比由25%提高到55%以上,主要原因是高壓誘導(dǎo)絕緣層擊穿,形成新的放電通道并引燃新的弧斑,因此靶面絕緣層去除較多。分別利用PEVAE和直流陰極弧在不同氮?dú)鈮汉蚉EVAE不同脈沖電流下制備TiN薄膜,并對(duì)其形貌、結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行測(cè)試和比較研究,發(fā)現(xiàn)相比直流陰極弧制備的TiN薄膜,利用PEVAE制備的TiN薄膜大顆粒較少,離子轟擊傳遞給單位體積薄膜生長(zhǎng)的能量E_(bi)更大,薄膜更致密且沉積速率提高,最大提高了72%。兩種方法制備的TiN薄膜擇優(yōu)取向均為(111)面,但PEVAE制備的TiN薄膜在(111)面容易生長(zhǎng),結(jié)晶性更好。PEVAE制備的TiN薄膜結(jié)合力顯著提高,表現(xiàn)為壓痕結(jié)合力等級(jí)由HF4提高到HF2,劃痕結(jié)合力由67 N提高到91 N,主要原因是薄膜致密、缺陷少,裂紋萌生和擴(kuò)展受到抑制。PEVAE制備的TiN薄膜致密,因此具有強(qiáng)的耐腐蝕性能和抗高溫氧化性能。分別利用PEVAE和直流陰極弧在不同靶基距制備Ti(Si,C)N薄膜,并對(duì)其結(jié)構(gòu)及性能均勻性進(jìn)行測(cè)試和對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)PEVAE使得薄膜表面大顆粒數(shù)量或尺寸更小,E_(bi)更大且結(jié)構(gòu)更緊湊和致密。PEVAE使得Ti(Si,C)N薄膜的沉積速率提高,且靶基距增加,PEVAE制備的TiN薄膜沉積速率下降速度較小。Ti(Si,C)N薄膜(111)面為擇優(yōu)取向,但PEVAE制備的薄膜易于在(111)面生長(zhǎng)。PEVAE提高了Si和N的離子密度,因此TiSiCN薄膜生成了更多的非晶相Si_3N_4。PEVAE制備的Ti(Si,C)N薄膜致密,缺陷少,使得結(jié)合力提高,由HF3提高到HF2,且靶基距增加時(shí)薄膜仍保持較高結(jié)合強(qiáng)度。PEVAE制備了具有更高耐磨性能和耐腐蝕性能的Ti(Si,C)N薄膜,且TiSiCN薄膜的耐磨性能和耐腐蝕性能都優(yōu)于TiN薄膜。對(duì)Ti(Si,C)N薄膜性能均勻性進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)不同靶基距下,PEVAE制備的Ti(Si,C)N薄膜耐磨損性能以及耐腐蝕性能均勻,主要原因是PEVAE高電流誘導(dǎo)了高電弧推力,從而使得高密度等離子體向遠(yuǎn)處延伸。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG174.4

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 肖娜;杜菲菲;楊波;;調(diào)制比對(duì)TiN/Ti多層膜結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響[J];材料與冶金學(xué)報(bào);2014年04期

2 馬英鶴;田修波;蔡明哲;孫偉龍;孔營(yíng);寇睿;鞏春志;;新型陰極弧電源研制及脈沖增強(qiáng)電子發(fā)射(P3e)效應(yīng)研究[J];真空;2014年04期

3 王振玉;張棟;柯培玲;劉新才;汪愛英;;離子轟擊對(duì)HIPIMS制備TiN薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響[J];真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào);2014年03期

4 王喜眉;邵天敏;;樣品位置對(duì)多弧離子鍍TiAlN薄膜表面質(zhì)量的影響[J];稀有金屬材料與工程;2011年S2期

5 肖金泉;郎文昌;趙彥輝;宮駿;孫超;聞立時(shí);;軸對(duì)稱磁場(chǎng)對(duì)電弧離子鍍TiN薄膜結(jié)構(gòu)及摩擦性能的影響[J];金屬學(xué)報(bào);2011年05期

6 劉洪喜;蔣業(yè)華;詹兆麟;湯寶寅;;PIIID復(fù)合強(qiáng)化處理軸承鋼表面TiN膜層的XPS表征[J];光譜學(xué)與光譜分析;2009年09期

7 田飛;張平;杜軍;趙軍軍;蔡志海;;基片方向?qū)Χ嗷‰x子鍍ZrN涂層性能的影響[J];裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào);2009年04期

8 張曉化;劉道新;王小鋒;唐賓;;TiN/Ti復(fù)合膜與多層膜對(duì)Ti811合金高溫摩擦性能及微動(dòng)疲勞抗力的影響[J];摩擦學(xué)學(xué)報(bào);2009年04期

9 楊洪剛;李曙;張榮祿;;偏壓和氮分壓對(duì)TiN膜層結(jié)構(gòu)和膜/基體系性能的影響[J];中國(guó)表面工程;2009年02期

10 瞿全炎;邱萬(wàn)奇;曾德長(zhǎng);劉正義;;劃痕法綜合評(píng)定膜基結(jié)合力[J];真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào);2009年02期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 李春偉;電—磁場(chǎng)復(fù)合增強(qiáng)高功率脈沖磁控放電特性及釩膜制備研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

2 戴華;真空陰極電弧離子鍍層中宏觀顆粒去除技術(shù)研究[D];上海交通大學(xué);2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前5條

1 甄永輝;低溫反應(yīng)濺射沉積α-Al_2O_3薄膜的研究[D];華南理工大學(xué);2017年

2 李雪萍;硬質(zhì)合金上先進(jìn)PVD技術(shù)沉積TiN基硬質(zhì)膜及其性能研究[D];華南理工大學(xué);2016年

3 閆寧寧;低成本AZO薄膜的制備與表征[D];中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院;2013年

4 吳忠振;直管過(guò)濾陰極弧TiC不沾錫薄膜制備及耐磨性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

5 林永清;分離靶真空電弧離子鍍制備TiAlN膜層及其性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

，

本文編號(hào)：2651631