脈沖陰極弧電源的設(shè)計(jì).pdf

1、本文主要闡述了脈沖陰極弧放電裝置的設(shè)計(jì)與搭建，以及使用此裝置實(shí)現(xiàn)真空弧放電及薄膜制備的過(guò)程。并試圖通過(guò)對(duì)制備薄膜的觀察與分析，來(lái)考察所設(shè)計(jì)裝置的放電機(jī)制、真空弧和成膜之間的內(nèi)在關(guān)系。
　　 本文從陰極電弧的發(fā)展與機(jī)理、電弧離子鍍技術(shù)的現(xiàn)狀說(shuō)起，著重闡述了高壓脈沖大電流電源的設(shè)計(jì)方案、三種觸發(fā)脈沖陰極弧放電的方法和對(duì)不同電壓、氣壓和電極間距條件下制備薄膜的形態(tài)分析。
　　 高壓脈沖大電流電源由直流電源、脈沖成形網(wǎng)絡(luò)、大電流

2、開(kāi)關(guān)和等離子負(fù)載等組成。本文對(duì)脈沖成形網(wǎng)絡(luò)做了重點(diǎn)闡述和分析，脈沖成形網(wǎng)絡(luò)需要一組或幾組電容電感組成，我們分別對(duì)電容電感值的計(jì)算和選擇做了說(shuō)明。并且用數(shù)值模擬方法對(duì)三階和十階脈沖成形網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了模擬。在試驗(yàn)中選用了適當(dāng)?shù)碾娙蓦姼兄担a(chǎn)生了脈寬為500μs的脈沖，與模擬結(jié)果基本相符。另外，還設(shè)計(jì)了脈沖觸發(fā)時(shí)序控制電路，用PLC來(lái)控制晶閘管作為脈沖開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)脈沖放電，因?yàn)镻LC只能實(shí)現(xiàn)脈寬為毫秒級(jí)的方波脈沖，為了實(shí)現(xiàn)所需脈寬為100μs的脈

3、沖，設(shè)計(jì)了一個(gè)微分電路，用來(lái)產(chǎn)生窄脈沖去控制晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷。通過(guò)整機(jī)調(diào)試，整個(gè)高壓脈沖大電流電源運(yùn)行良好。
　　 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)真空弧放電的觸發(fā)，本文設(shè)想了三種觸發(fā)放電裝置進(jìn)行試驗(yàn)。一種是輝光放電裝置，此裝置由可調(diào)變壓器、隔離變壓器、整流橋和濾波電路組成，輸出電壓最高可達(dá)300V。在幾帕到幾十帕的范圍內(nèi)，先產(chǎn)生一定的輝光等離子體，然后利用脈沖陰極弧放電裝置進(jìn)行弧光放電;另一種是高壓點(diǎn)火觸發(fā)裝置，通過(guò)本裝置，觸發(fā)電壓可升至5-15

4、KV，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，它比前一種方式更容易引發(fā)電弧;再一種是大功率脈沖觸發(fā)電源電路，本文對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)思路及其參數(shù)計(jì)算，做了詳細(xì)說(shuō)明，包括三相全控橋式整流電路、晶閘管觸發(fā)電路和脈沖成形網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算分析工作，此觸發(fā)裝置的脈沖成形網(wǎng)絡(luò)為低階的，可以得到窄脈沖。當(dāng)電容電感取不同值時(shí)，最窄為可輸出脈寬為1μs的脈沖，此時(shí)系統(tǒng)可以作為真空觸發(fā)裝置;當(dāng)脈寬為10μs時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)可以作為等離子體源離子注入負(fù)高壓源，此電源具有較廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。最后，我們用碳棒作為

5、陰極，帶有基片的金屬平臺(tái)作為陽(yáng)極，在真空室中進(jìn)行了脈沖放電試驗(yàn)。
　　 我們利用高壓脈沖大電流電源在真空室中進(jìn)行了弧光放電，測(cè)得了當(dāng)充電電壓為200V和220V時(shí)的放電電壓和放電電流，當(dāng)充電電壓為200V時(shí)，兩極電壓為78V，電流為562.5A，當(dāng)充電電壓為220V時(shí)，兩極電壓為80V，電流為750A，從中可以看出，弧光放電電流非常大。首先，根據(jù)陰極主弧位置的不同，在玻片上制備了C膜。通過(guò)測(cè)量薄膜的厚度，對(duì)沉積速率做了分析。從中

6、可以知道，由于高壓脈沖大電流電源放電電流相當(dāng)大，相應(yīng)的沉積速率也非常高。其次，在相同條件下，分別在玻片和硅片上進(jìn)行鍍膜，通過(guò)SEM觀察其形貌，從SEM圖中可以看出，在硅片上生長(zhǎng)的薄膜結(jié)晶性要比玻片上好，這主要是因?yàn)楣杵谋砻嫒∠蛐院糜诓ＦＷ詈?，在充電電壓分別為180V、220V;真空室壓強(qiáng)分別為16Pa、25Pa;電極間距分別為5cm、10cm的條件下，制備了薄膜并對(duì)薄膜進(jìn)行了SEM觀察和XRD分析。通過(guò)樣品分析可以知道，隨著放電電壓