多弧离子镀磁过滤装置关键技术研究

发布时间：2020-04-16 23:13

【摘要】：真空多弧离子镀是目前应用广泛的表面处理技术之一。其环境友好,所镀薄膜综合性能优异。但镀膜过程中产生的大颗粒污染影响会薄膜表面质量和性能,严重制约了其在半导体行业等高性能薄膜制备中的应用。实际应用中,为限制大颗粒污染,采取了各种技术措施,磁过滤装置便是其中之一。本文基于COMSOL Multiphysics 5.3有限元仿真软件,针对不同类型磁过滤装置的工艺参数和传输情况,提出一种可辅助装置结构设计和参数调试的有限元仿真方法。通过建立45°、60°和90°弯管磁过滤装置的仿真模型,分析了磁场分布和带电粒子与大颗粒的传输情况,研究了线圈电流(磁场强度)、弯管偏压、机械挡板孔径、带电粒子入射角度等因素对装置传输效率的影响;采用所设计制作的90°弯管磁过滤装置上进行了四面体非晶碳(tetrahedral amorphous carbon,ta-C)薄膜制备实验,对仿真结果进行了验证,同时研究了线圈电流、挡板孔径及电弧源电流对薄膜大颗粒分布的影响,以及薄膜的综合性能,获得了以下结论:(1)通过调整磁过滤装置的线圈电流可对磁场强度进行有效控制,弯管中带电粒子的运动遵循拉莫尔旋进,大颗粒则会与装置内壁碰撞而被滤除;(2)靶材离子在弯管中的传输效率随线圈电流的增大而提高,较大的线圈电流使大颗粒数量增多;弯管偏压在11~16V时,靶材离子传输效率比不加偏压时提高约75~80%;(3)机械挡板孔径越大,靶材离子传输效率越高,但大颗粒污染严重;孔径越小,传输效率相对越低,但大颗粒滤除效果较好;增大电弧源电流,大颗粒数量和尺寸均呈增大趋势;(4)实验结果证明所用仿真方法具有较好的可行性,可用于各种类型磁过滤装置的设计与工艺优化;(5)在优化工艺参数下制备的ta-C薄膜,其sp~3键含量高,达到60%,粗糙度、硬度等综合性能优异,颗粒平均数量不超过1.35个/μm~2,颗粒平均直径不超过0.27μm,且工艺稳定。
【图文】：

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子体是包含众多带电粒子的非束缚态宏观体系，库仑作用力。区别于通常气体分子间的短程相互周围大量粒子共同且相互作用，导致等离子体在为。由于等离子体中带电粒子的存在，其运动将，在放电过程中正离子和电子成对出现，且彼此准电中性[24]。常包括高温等离子体和低温等离子体。此处有别热核反应要求的温度，低温等离子体包含一）下的等离子体[25]。若气体的电离度在 0.1%以下温等离子体[26]。真空多弧离子镀中的等离子体为，除了产生高密度的等离子体，阴极弧斑区还会粒（Macroparticles, MPs），其尺寸一般为 0.1~图 1.1 多弧离子镀膜设备结构示意图Fig 1.1 The schematic diagram of multi-arc ion plating

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其中磁过滤是目前的有效解决方法。然而这一方法存在传输效率低保证大颗粒磁过滤效果的前提下，如何提高其传输效率成为了重要颗粒的产生及控制大颗粒的产生及输运多弧离子镀制备薄膜的过程中，当电弧引燃后，阴极弧斑上极高的功材由固态局部相变转化为完全离化的等离子体态[29]，并在靶面形电弧燃烧，靶材等离子体会携带阴极靶面的大量中性粒子团簇随一这些中性粒子团簇落到正在成膜的基体表面，即造成大颗粒污染[30]于大颗粒产生的机理，有多种解释，，主要有热弹性应力造成靶材断裂生大颗粒。目前普遍接受的机理是[31-33]：热量在阴极靶面集聚产生熔在等离子体的作用下运动到周围熔融区，熔融态阴极材料在等离子下，形成并喷射出液滴；且多数液滴的喷射方向与阴极表面之间夹角少数沿法线方向随等离子体一同喷射，如图 2.1 所示。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG173

【参考文献】