細(xì)長管內(nèi)腔多級輝光放電特性及TiN薄膜沉積.pdf

1、管筒形工件內(nèi)表面改性一直是等離子體表面改性領(lǐng)域的難題，尤其是細(xì)管和長徑比較大的管件，等離子體難以進(jìn)入管件內(nèi)部，因而處理難度更大。本文針對這個問題，提出了一種新的有效的細(xì)長管內(nèi)表面等離子體改性方法，細(xì)長管內(nèi)腔多級輝光放電方法，對其放電特性、等離子體特性和TiN膜層沉積進(jìn)行了深入的研究。
　　基于增強(qiáng)輝光放電的機(jī)理，本文研制了細(xì)長管內(nèi)腔多級輝光放電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在Φ15×300、Φ6×90等規(guī)格的細(xì)長管件內(nèi)部產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的高密度等離

2、子體，并可進(jìn)行多種金屬靶材的濺射。具有工作壓強(qiáng)低（0.2Pa-1.0Pa），陽極電流密度大（最大可達(dá)106mA/mm2），可獨立調(diào)節(jié)靶濺射電流、靶電壓和管偏壓。
　　對多級輝光放電系統(tǒng)在細(xì)長管內(nèi)等離子體的激發(fā)產(chǎn)生進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研究發(fā)現(xiàn)：采用熱陰極輝光放電形式在較高氣壓下，加管限制的放電擊穿電壓高于無管筒空間限制條件下的放電擊穿電壓值；而在較低氣壓下，加管限制的放電擊穿電壓值低于無管筒空間限制條件下的放電擊穿電壓值。較大的陽極面

3、積和較高的氣壓均有利于激發(fā)等離子體。當(dāng)管件較細(xì)或較長時，使得擊穿放電難以產(chǎn)生，為此提出了柵極中繼放大方法。柵極的設(shè)置可以明顯改善細(xì)長管內(nèi)放電條件，能夠處理更細(xì)更長的管件。較高的陽極電流和管偏壓電流提高了靶電流。
　　對管內(nèi)多級輝光放電等離子體特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研究表明圓環(huán)形柵極可以對熱陰極產(chǎn)生的電子進(jìn)行有效的聚焦和加速。柵極單獨對熱陰極放電，其電壓的提高可以使得其放電和聚焦的電流增大。柵極單獨與熱陰極放電，能夠在管下部形成等離

4、子體，并隨著向管中心的深入，等離子體密度逐漸降低。多級輝光放電系統(tǒng)處理細(xì)長管時，靶電壓的增加，降低了管內(nèi)等離子體密度；而較高的管偏壓，基于空心陰極效應(yīng)，促進(jìn)了等離子體密度的提高。管內(nèi)等離子體密度沿徑向呈現(xiàn)中心高，兩端低的分布特點?？拷苤行妮S線1mm處，離子密度達(dá)到1.8×1012/cm3，而在管壁邊緣離子密度約為3.5×1011/cm3。
　　采用二維泊松方程，對管內(nèi)電勢分布進(jìn)行了描述。研究結(jié)果表明在沒有空間限制下，陽極和熱陰極

5、之間等勢線梯度分布較為均勻，有利于擊穿放電；當(dāng)放電空間受細(xì)管限制后，電位等勢線分布明顯不均勻，集中于陽極和熱陰極兩端，不利于管內(nèi)擊穿放電。對于細(xì)長管內(nèi)的靜電場，管壁和靶材上的電位等勢線平行于管軸線方向，軸向電場對管內(nèi)影響小。只有當(dāng)管徑加粗或長徑比較小的情況下，軸線電場才會對管內(nèi)電場形成比較明顯的影響。同時利用Patical-in-cell模型，對管內(nèi)等離子體鞘層行為進(jìn)行了描述，結(jié)果表明：靶體和管壁鞘層的擴(kuò)展導(dǎo)致了交叉重疊現(xiàn)象，管內(nèi)等離子

6、體無法自持。在較高的靶體電位和管壁電位、較低的等離子體密度和較大靶半徑下，鞘層的交疊容易出現(xiàn)。
　　采用多級輝光放電方法制備了TiN薄膜，最大沉積速率可達(dá)3.5μm/h。研究表明通過管內(nèi)上低下高的等離子體分布可以實現(xiàn)軸向均勻的TiN薄膜。陽極電流、柵極電流和燈絲電流的增大，提高了膜層沉積率；而壓強(qiáng)和管直徑的增加，使得沉積速率下降；管長對沉積速率影響不明顯。TiN薄膜分別表現(xiàn)為以（111）、（200）或二者混雜的擇優(yōu)取向；管徑較細(xì)時