真空陰極電弧離子鍍層中宏觀顆粒去除技術(shù)研究.pdf

1、真空陰極電弧離子源具有離化率高(90％以上)、離子能量可控、沉積速率高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于等離子體表面改性領(lǐng)域。然而弧源在提供鍍膜離子的同時(shí),也會(huì)產(chǎn)生直徑約為0.1至數(shù)百微米的宏觀顆粒,這些顆粒大大降低了膜層的表面光潔度,增加了膜層性能的不均勻性,甚至成為貫穿缺陷而嚴(yán)重破壞膜層性能。所以宏觀顆粒的存在制約了電弧離子鍍工藝在精密鍍膜領(lǐng)域的應(yīng)用。為了去除宏觀顆粒,本文提出使用脈沖(疊加直流)電源作為電弧電源,初步降低了弧源發(fā)射的宏觀顆粒的數(shù)量

2、和尺寸;進(jìn)而設(shè)計(jì)一種直流可調(diào)開放式電磁線圈過濾器,在傳輸過程中將顆粒過濾掉,獲得了較好的顆粒去除效果。使用脈沖電源作為弧電源可以調(diào)節(jié)陰極斑點(diǎn)處的能量輸入,從而降低宏觀顆粒污染。計(jì)算表明陰極斑點(diǎn)處場(chǎng)致發(fā)射電流密度及其加熱效應(yīng)導(dǎo)致的局部區(qū)域的最高溫度均很高,如Ti靶可達(dá)1012A/m2和5000K以上。極高的能量輸入使得液態(tài)顆粒的產(chǎn)生幾乎不可避免(大尺寸液態(tài)顆粒凝固即成為宏觀顆粒),同時(shí)也啟示調(diào)低能量輸入或可降低顆粒數(shù)量和尺寸。本文使用脈沖

3、電源作為弧電源進(jìn)行了這樣的嘗試。試驗(yàn)結(jié)果顯示調(diào)節(jié)脈沖參數(shù)可以從一定程度上調(diào)節(jié)能量輸入從而影響到宏觀顆粒的數(shù)量和尺寸,使用相對(duì)小的占空比,高的脈沖頻率,小的直流電流分量,陰極產(chǎn)生的宏觀顆粒數(shù)量下降了約9%到39%,從而獲得了一定程度的宏觀顆粒去除效果。同時(shí)該方法無需添加額外裝置,僅將電弧主電源替換為脈沖電源就可實(shí)現(xiàn)一定的宏觀顆粒去除效果,實(shí)施較方便。進(jìn)一步,本文提出了一種直流可調(diào)開放式電磁線圈過濾器,在傳輸過程中去除絕大部分宏觀顆粒。該過

4、濾器繼承了管道式過濾器利用電磁場(chǎng)改變離子運(yùn)動(dòng)軌跡的特點(diǎn),能較好地過濾掉宏觀顆粒,并且其開放式結(jié)構(gòu)可以避免宏觀顆粒通過器壁反彈導(dǎo)致的膜層污染,獲得了更好的顆粒去除效果;該過濾器自身具有的電場(chǎng)可吸引更多離子到達(dá)過濾器入口,并降低離子在器壁的損失,增強(qiáng)了過濾效率;該過濾器可實(shí)現(xiàn)過濾通道曲率可調(diào),從而可以在過濾效率和過濾效果之間取得平衡。試驗(yàn)結(jié)果顯示,在遮擋良好、無直接視線連接的鍍膜區(qū)域(也就是具有直線運(yùn)動(dòng)軌跡的宏觀顆粒無法到達(dá)的區(qū)域),每平方

5、毫米范圍宏觀顆粒數(shù)量接近于0,相比而言傳統(tǒng)管道式過濾器由于存在顆粒反彈,即使無視線連接的鍍膜區(qū)域,每平方毫米范圍宏觀顆粒數(shù)量的典型值也在103數(shù)量級(jí)。同時(shí),飽和離子電流探針試驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)線圈電流在50 A到250 A范圍內(nèi)時(shí),過濾器效率隨線圈電流單調(diào)增大,最高過濾效率可達(dá)2%左右,優(yōu)于大部分文獻(xiàn)報(bào)道的90°管道式過濾器的過濾效率(低于1%)。另外,針對(duì)復(fù)合成分和多層結(jié)構(gòu)膜的鍍制,本文還提出了具有公用混合通道的雙通道線圈過濾器,利用混合通

6、道磁場(chǎng)對(duì)離子的聚焦效應(yīng),達(dá)到離子混合、均化的效果,從而獲得較好的鍍膜均勻性;利用雙靶并調(diào)節(jié)弧電流可以方便地在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)復(fù)合膜的成分比。為了檢驗(yàn)線圈過濾器在實(shí)際鍍膜中的應(yīng)用效果,本文使用單通道和雙通道的過濾器鍍制了AlN、TiAlN復(fù)合成分膜和TiN/AlN多層膜。單通道過濾器鍍制AlN薄膜的表面光潔度得到了大幅提高,這表明了過濾器的過濾效果良好。雙通道過濾器鍍制TiAlN薄膜的抗高溫氧化性能得到了較大程度提高,相比較未經(jīng)過濾的TiA