低頻高功率脈沖電場構(gòu)建及其對離子鍍層組織結(jié)構(gòu)的影響

低頻高功率脈沖電場構(gòu)建及其對離子鍍層組織結(jié)構(gòu)的影響物理氣相沉積兩個主流技術(shù)之一的直流磁控濺射離子鍍技術(shù),雖已被光學和微電子產(chǎn)業(yè)廣泛采用,但因難以沉積出厚膜鍍層而限制了其在精密傳動件產(chǎn)品領(lǐng)域的推廣使用;同時,直流電弧離子鍍因脫靶粒子夾帶微熔液滴、易引起低溫敏感性基材表層的升溫回火,而致使其難以擴展至中溫、甚至低溫回火的結(jié)構(gòu)類精密基礎(chǔ)件領(lǐng)域。漸成研究熱點的高功率脈沖磁控濺射離子鍍,因受磁控靶材冷卻能力、及高功率模式下需避免因電子雪崩效應而引發(fā)電流失穩(wěn)的技術(shù)制約,致使脈沖大電流的峰值導通寬度始終限制在百微秒量級,因而大大降低了其對改善鍍層結(jié)構(gòu)和提高沉積速率的期望。針對以上離子鍍技術(shù)發(fā)展的制約瓶頸,本文采用自主研制的低頻高功率雙脈沖離子鍍電源,構(gòu)建出磁控陰極靶面峰值電流導通和關(guān)斷周期可毫秒級獨立調(diào)制的低頻高功率脈沖電場環(huán)境;通過合理配置峰值電流的通斷比,在不會因瞬態(tài)的高功率密度致靶材過熱的前提下,研究了脈沖峰值電流及通斷比(Ton/Toff)等電場參量對純金屬和化合物鍍層在鍍料粒子脫靶機制、瞬態(tài)脫靶速率與鍍層結(jié)構(gòu)等的影響規(guī)律,得到如下研究成果:1、研制出低頻高功率雙脈沖離子鍍電源依據(jù)負壓環(huán)境下氬原子離化復原的微秒周期和磁控陰極靶面電子碰撞逸出的級聯(lián)增強的等離子體物理知識,研制出了電壓微秒級高頻波動以實現(xiàn)電流毫秒級穩(wěn)態(tài)保持的、電壓電流不同頻率的雙脈沖離子鍍電源。通過對脈沖導通階段輸出電壓的亞微秒斬波,避免了高功率模式下,因氬等離子體對靶面的強烈轟擊而引發(fā)靶面電子逸出速率反歐姆劇增、進而使靶面晶界等缺陷處在焦耳熱(I2Rt)作用下出現(xiàn)微區(qū)熱熔現(xiàn)象。使得足以引發(fā)磁控陰極靶面粒子熱發(fā)射脫靶的脈沖電流導通寬度可穩(wěn)態(tài)延長至毫秒級,以達到增大瞬態(tài)沉積速率、改善鍍層組織結(jié)構(gòu)的目的。2、確定出鍍料粒子脫靶機制轉(zhuǎn)變的電場參量范圍采用自主研制的低頻高功率脈沖等離子體電源,對比研究了直流濺射離子鍍、直流電弧離子鍍、瞬態(tài)峰值輸出功率高達50KW的高功率脈沖離子鍍?nèi)N電場環(huán)境中,鍍料粒子脫靶機制的演變過程。結(jié)果表明:在靶電流為4A-的直流濺射離子鍍環(huán)境中,靶面放電印痕呈凹凸不平的隕石坑狀形貌,表明此時鍍料粒子的脫靶機制為受Ar+離子轟擊而引發(fā)的級聯(lián)碰撞脫靶;在靶電流為100A的直流電弧離子鍍環(huán)境中,靶面印痕呈現(xiàn)平整致密且含有大量微米級電弧斑噴濺所留下的熔融態(tài)形貌,表明此時鍍料粒子的脫靶機制為微熔液滴的熱發(fā)射脫靶;而當峰值靶電流在25A、脈寬2ms時的低頻高功率脈沖電場環(huán)境中,由靶面印痕為前兩者的結(jié)合可知,鍍料粒子的脫靶機制轉(zhuǎn)變?yōu)榕鲎?熱發(fā)射混合脫靶。3、毫秒級脈沖導通寬度對純金屬及化合物鍍層組織結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律在峰值電流和頻率分別為7.5A和50Hz的脈沖電場環(huán)境下,當脈沖電流的導通寬度Ton從700μs延長至20ms(直流)時,雖然純金屬Ti鍍層的平均沉積速率(鍍層厚度與總沉積時間的比值)隨脈寬的延長而顯著增大,但實際沉積速率(鍍層厚度與脈沖導通周期之和的比值)則隨脈寬延長呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢,且在脈寬為1.6ms左右時鍍層具有最大的實際沉積速率;同時,鍍層的團簇顆粒粒徑隨脈寬的延長顯著提升,表明鍍料粒子的沉積機理仍以沿鍍層團簇優(yōu)先晶向結(jié)晶生長為主;而對于TiN類化合物鍍層,Ti元素含量隨脈寬的延長先增高后小幅降低,導致鍍層的顯微硬度由21GPa增大至25GPa后回落至23GPa左右;Ti與TiN鍍層的比內(nèi)應力(鍍層內(nèi)應力與厚度之比)并未隨脈寬的改變而發(fā)生變化。將脈寬對鍍層的團簇粒徑和內(nèi)應力的影響規(guī)律,與對應功率的鍍料粒子脫靶印痕進行對比分析發(fā)現(xiàn):在峰值為7.5A低頻電場條件下,即使將靶電流的脈沖寬度延長至20ms,也未能實現(xiàn)鍍料粒子脫靶機制從級聯(lián)碰撞向熱發(fā)射的演變。4、脈沖峰值電流對純金屬及化合物鍍層組織結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律在脈沖寬度和頻率分別為2ms和50Hz的電場環(huán)境下,當峰值電流由6A增大至60A時,不僅Ti與TiN鍍層的平均沉積速率均隨峰值電流的提高而增大,而且,在峰值電流為24A前后,出現(xiàn)沉積速率由6nm/min快速增大至16nm/min的倍率式突增現(xiàn)象。與前述的脈寬對沉積速率影響規(guī)律不同的是:此時鍍層的團簇顆粒尺度并未隨沉積速率的增大而粗大化,仍以平整致密的細小團簇顆粒為主,表明此時鍍料粒子的脫靶機制已開始由級聯(lián)碰撞向熱發(fā)射演變。對應的化合物TiN鍍層中Ti:N由0.68:1逐步提升至0.92:1,并使其顯微硬度由20GPa提升至25.8GPa。同時,T