高功率脈沖磁控濺射（HiPIMS）是在磁控靶上施加低占空比的高功率脈沖以產(chǎn)生高能量、高密度等離子體的一種新型磁控濺射技術(shù)。該技術(shù)具有較高的濺射材料離化率,其制備的薄膜可產(chǎn)生高致密度、高結(jié)合力以及高綜合力學(xué)性能。然而HiPIMS存在沉積速率低、放電不穩(wěn)定、濺射材料離化率不一等缺陷,嚴(yán)重阻礙了其在工業(yè)界的推廣和應(yīng)用。本工作從基本物理原理入手,借鑒空心陰極原理,提出筒內(nèi)放電的空心陰極效應(yīng)強(qiáng)化的新型陰極結(jié)構(gòu),采用粒子網(wǎng)格/蒙特卡洛方法驗(yàn)證了空心陰極強(qiáng)化效應(yīng);為提高沉積效率,提出等離子體束流的電磁控制方案,建立了等離子體輸運(yùn)特性仿真模型并發(fā)現(xiàn)電磁控制可以有效減少等離子體損耗,控制涂層組分,提高沉積速率;建立了空心陰極效應(yīng)耦合的時(shí)間分辨整體模型,實(shí)現(xiàn)了對(duì)N₂/Ar/Cr復(fù)雜體系下HiPIMS放電過程解析,發(fā)現(xiàn)了不同放電粒子的異步放電現(xiàn)象及其對(duì)演化曲線的作用形式。為了驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性,使用納秒精度的時(shí)間分辨光譜儀對(duì)HiPIMS體系中多種典型離子進(jìn)行追蹤,得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。具體結(jié)論如下:1.空心陰極的引入可以增強(qiáng)放電效果,使HiPIMS放電過程強(qiáng)烈且穩(wěn)定,等離子體... 

【文章來源】：北京大學(xué)北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：93 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

傳統(tǒng)磁控濺射的原理示意圖[4]

2過程中可維持較低的平均功率防止磁控陰極由于溫度過高而融化[8]。典型的HiPIMS一個(gè)脈沖中的放電電壓及電流的曲線如圖1.2所示[8]，在施加放電電壓后，氣體需要一定的時(shí)間才能被擊穿產(chǎn)生等離子體，因此電流激發(fā)的時(shí)間相對(duì)放電壓激發(fā)的時(shí)間有滯后約50μs。與常規(guī)的磁控濺射技術(shù)相比，HiPIMS技術(shù)擁有更寬的工藝窗口，因?yàn)槌丝刂品烹婋妷汉头逯倒β拭芏鹊葌鹘y(tǒng)參數(shù)外，該技術(shù)還可以控制由放電脈沖引入的諸如占空比、脈沖寬度、脈沖頻率、脈沖波形等其他工藝參數(shù)，大大提高了工藝可控性[9,10]。在HiPIMS技術(shù)放電過程中，其峰值功率密度最高可達(dá)到10kW/cm2，因此該技術(shù)的濺射材料離化率最高可達(dá)到90%[11,12]。圖1.2典型的HiPIMS一個(gè)脈沖內(nèi)的放電電壓及電流曲線[5]濺射材料的原子被電離后，由于受到帶負(fù)電位的靶材的吸引，部分濺射材料離子會(huì)返回并轟擊靶面發(fā)生自濺射。在極端的條件下，如式1.1所示，濺射材料離子的自濺射過程足以維持等離子體的放電反應(yīng)，Anders等[13]將其定義為自持自濺射。Π=αβγ=1(1.1)其中П為自濺射系數(shù)，α為濺射材料離化率，β為濺射材料離子返回靶面發(fā)生濺射的概率（離子返回概率），γ為材料濺射率（由材料的種類和濺射離子的能量決定）。對(duì)HiPIMS技術(shù)來說，其濺射材料離化率和離子返回概率[14]比普通的磁控濺射技術(shù)高，同時(shí)HiPIMS技術(shù)產(chǎn)生的高能離子提高了材料的濺射率，因此對(duì)于同種材料而言，HiPIMS更容易達(dá)到自持自濺射的條件。通常情況下，α和β的值均小于1，因此需要達(dá)到自持自濺射的條件就必須要求γ大于1，利用HiPIMS技術(shù)可對(duì)濺射率較高的材料（例如Cu）實(shí)現(xiàn)自持自濺射[8,15]。HiPIMS自濺射原理示意圖[16]如圖1.3所示，透過該圖可解釋HiPIMS放電的基本原理。圖中左右兩端分別為濺射材料?

3由于工作氣體的參與，在HiPIMS放電達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前，存在自濺射系數(shù)П大于1的過渡階段，此時(shí)濺射材料的粒子密度迅速上升，對(duì)應(yīng)著HiPIMS電流的上升階段。隨著放電的進(jìn)行，由于電子被濺射材料的原子冷卻，電離碰撞概率減小，濺射材料離化率α逐漸降低；濺射材料離子由于濃度迅速上升而溢出放電區(qū)域，并沉積到基片上，導(dǎo)致離子返回概率β逐漸降低，因此自濺射系數(shù)П逐漸減小并使HiPIMS放電趨于穩(wěn)定。圖1.3HiPIMS放電自濺射原理示意圖[16]1.1.2HiPIMS的應(yīng)用在傳統(tǒng)的磁控濺射的結(jié)構(gòu)形貌示意圖[17]的基礎(chǔ)上，Anders[18]對(duì)原有模型進(jìn)行了修正并將其擴(kuò)展到能夠在高能量離子沉積的條件下適用，發(fā)現(xiàn)HiPIMS薄膜形貌的變化范圍較廣，并可以此推測(cè)HiPIMS的薄膜形貌與工藝參數(shù)的關(guān)系，如圖1.4所示。由于HiPIMS技術(shù)的濺射材料粒子具有高離化率和高離子能量，該技術(shù)制備的薄膜往往具有致密度高[19]，結(jié)合力大[20]和綜合性能好[21-23]等特性。此外，HiPIMS技術(shù)制備對(duì)工件的適應(yīng)性較好，尤其是在對(duì)表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件進(jìn)行表面處理時(shí)，這是因?yàn)镠iPIMS放電產(chǎn)生的濺射材料粒子具有優(yōu)秀的繞射性[24]，在涂層制備過程中可通過增加外加電磁場(chǎng)和基片偏壓對(duì)等離子體束流中沉積離子的能量和角度進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)涂層的均勻沉積[24-27]，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化控制[22,23]。因此HiPIMS技術(shù)在民用和軍工領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[28]，特別是該技術(shù)制備的涂層具有的高致密度和高結(jié)合力的特點(diǎn)，使其在有關(guān)耐腐蝕和耐磨損的表面改性領(lǐng)域被迅速推廣[29]。此外，由于HiPIMS放電的工藝條件處于異常輝光區(qū)域[30]，介于正常輝光放電和弧光放電之間，如圖1.5所示，因此HiPIMS技術(shù)兼?zhèn)鋫鹘y(tǒng)磁控濺射技術(shù)和陰極弧離子鍍技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)[31,32]，一度被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是最

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
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[3]PIC/MCC模擬直流平面磁控濺射[D]. 趙華玉.大連理工大學(xué) 2008



本文編號(hào)：3372238