【摘要】：阴极弧技术具有离化率高、离子能量高、沉积速度快、膜基结合力好等优点,广泛应用于工业生产中。但随着工业技术的发展,对于薄膜质量要求也逐渐提高,而众多研究表明,等离子体密度是影响薄膜质量的关键因素之一。传统阴极弧是直流电源供电,增加直流电源电流,可以提高等离子体密度,但极易受到水冷、磁场等限制,而且更大弧流还会产生更多大颗粒,因此增加直流电源电流对于提高等离子体密度能力有限,以上因素严重制约了它的发展。而脉冲阴极弧的出现,突破了上述限制,有效地提高了等离子体密度。但脉冲阴极弧在其放电等离子体特性规律和薄膜结构及性能方面缺乏系统研究。因此,本文利用自行研制的脉冲阴极弧系统(pulse-enhanced vacuum arc evaporation-PEVAE)对其放电等离子体特性和制备的Ti(Si,C)N薄膜结构和性能进行深入研究。直流阴极弧作为比较也进行同样的研究。在氮气氛和多元混合气体中进行基体电流测试,发现PEVAE场致电子发射增强,电子碰撞粒子几率增加,从而粒子离化增加,等离子体密度增加,因此基体平均电流提高。靶基距增加,气体碰撞分散效应增加,且等离子体密度降低,基体平均电流降低,但PEVAE的基体平均电流降低较慢,且PEVAE的脉冲电流越大,基体平均电流下降速度越慢。等离子体发射光谱特性研究发现PEVAE增强了电子发射,更多电子与粒子碰撞使其电离增多,等离子体密度增加,进而提高了粒子光谱强度与金属离化率。氮气气压和多元混合气体气压增加以及C_2H_2分压增加,粒子光谱强度下降,金属离化率也下降,但PEVAE模式下金属离化率降低速度较小,且PEVAE脉冲电流越大,金属离化率降低速度越小。弧斑运动特性研究发现PEVAE脉冲电流高,所以弧斑个数增加,弧斑运动速度加快。长时曝光发现PEVAE弧斑连成圆弧形且在圆弧形上分散着枝杈,枝杈出现的频次与脉冲频率对应,枝杈尺寸随着弧脉冲电流增加而增大。PEVAE有效抑制了靶材表面毒化,可将弧斑占靶材表面的面积比由25%提高到55%以上,主要原因是高压诱导绝缘层击穿,形成新的放电通道并引燃新的弧斑,因此靶面绝缘层去除较多。分别利用PEVAE和直流阴极弧在不同氮气压和PEVAE不同脉冲电流下制备TiN薄膜,并对其形貌、结构及性能进行测试和比较研究,发现相比直流阴极弧制备的TiN薄膜,利用PEVAE制备的TiN薄膜大颗粒较少,离子轰击传递给单位体积薄膜生长的能量E_(bi)更大,薄膜更致密且沉积速率提高,最大提高了72%。两种方法制备的TiN薄膜择优取向均为(111)面,但PEVAE制备的TiN薄膜在(111)面容易生长,结晶性更好。PEVAE制备的TiN薄膜结合力显著提高,表现为压痕结合力等级由HF4提高到HF2,划痕结合力由67 N提高到91 N,主要原因是薄膜致密、缺陷少,裂纹萌生和扩展受到抑制。PEVAE制备的TiN薄膜致密,因此具有强的耐腐蚀性能和抗高温氧化性能。分别利用PEVAE和直流阴极弧在不同靶基距制备Ti(Si,C)N薄膜,并对其结构及性能均匀性进行测试和对比研究,发现PEVAE使得薄膜表面大颗粒数量或尺寸更小,E_(bi)更大且结构更紧凑和致密。PEVAE使得Ti(Si,C)N薄膜的沉积速率提高,且靶基距增加,PEVAE制备的TiN薄膜沉积速率下降速度较小。Ti(Si,C)N薄膜(111)面为择优取向,但PEVAE制备的薄膜易于在(111)面生长。PEVAE提高了Si和N的离子密度,因此TiSiCN薄膜生成了更多的非晶相Si_3N_4。PEVAE制备的Ti(Si,C)N薄膜致密,缺陷少,使得结合力提高,由HF3提高到HF2,且靶基距增加时薄膜仍保持较高结合强度。PEVAE制备了具有更高耐磨性能和耐腐蚀性能的Ti(Si,C)N薄膜,且TiSiCN薄膜的耐磨性能和耐腐蚀性能都优于TiN薄膜。对Ti(Si,C)N薄膜性能均匀性进行研究,发现不同靶基距下,PEVAE制备的Ti(Si,C)N薄膜耐磨损性能以及耐腐蚀性能均匀,主要原因是PEVAE高电流诱导了高电弧推力,从而使得高密度等离子体向远处延伸。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4
【参考文献】
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