電-磁場復合增強高功率脈沖磁控放電特性及釩膜制備研究.pdf

1、高功率脈沖磁控濺射技術(shù)（HIPIMS）作為一門新興的電離化物理氣相沉積技術(shù)已成為國內(nèi)外研究熱點。相比傳統(tǒng)直流磁控濺射，HIPIMS放電時具有更高的系統(tǒng)等離子體密度和濺射金屬離化率，同時制備的膜層具有光滑致密的結(jié)構(gòu)，更高的膜基結(jié)合力，更優(yōu)異的膜層綜合性能等。然而，該技術(shù)存在沉積速率低、電子利用效率差的缺點而嚴重制約了其發(fā)展。針對該技術(shù)存在的問題，本文提出了一種電-磁場復合增強高功率脈沖磁控放電的高效、高離化率、高沉積速率新方法，并圍繞該新

2、技術(shù)的放電等離子體特性、發(fā)射光譜特性以及沉積V膜的結(jié)構(gòu)及性能進行了研究。
　　采用附加電極技術(shù)增強了HIPIMS放電過程，實現(xiàn)了電場增強 HIPIMS技術(shù)。電場增強 HIPIMS放電等離子特性研究結(jié)果表明，隨著電極電壓的增加，電極附近電場強度和電場分布范圍增大以及基體附近電勢逐漸變正兩方面的作用使得基體離子電流逐漸增大。隨電極位置由45度位置變化為180度位置時，基體離子電流呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。當附加電極附加擴散型非平衡磁場后，

3、獲得的基體離子電流最大。隨著工作氣壓的增加，不同靶電壓下的基體離子電流均逐漸增加后形成了飽和值。隨著靶基間距的增加基體離子電流平均值逐漸減小。
　　利用同軸電磁場建立了非平衡系統(tǒng)磁場，并將該磁場引入到HIPIMS放電過程中成功構(gòu)建了磁場增強 HIPIMS技術(shù)。利用ANSYS軟件對陰極靶前磁場分布進行了模擬并結(jié)合靶前磁場強度及靶前放電輝光形貌的結(jié)果表明，隨著勵磁電流的增加，系統(tǒng)磁場非平衡特征增強，較強的非平衡磁場可以有效地將陰極靶前

4、等離子體推進到沉積區(qū)域。不同勵磁電流時基體離子電流值隨靶電壓的增加而逐漸增加。
　　通過附加電極調(diào)控真空室內(nèi)電場/電勢分布，同時利用同軸電磁線圈來優(yōu)化陰極靶前磁場分布，最終實現(xiàn)了電-磁場復合增強高功率脈沖磁控濺射技術(shù)。通過對該技術(shù)放電等離子特性的研究發(fā)現(xiàn)，電-磁場復合增強 HIPIMS放電時既將靶前等離子體區(qū)充分地聚焦擴展到基體處，又將系統(tǒng)的等離子體區(qū)域極大擴大，表現(xiàn)出了系統(tǒng)粒子離化率高且系統(tǒng)等離子體密度高的放電特征。電-磁場增強

5、 HIPIMS放電復合效應(yīng)的產(chǎn)生，對于電極電壓和勵磁電流均存在臨界應(yīng)用條件，這是由于電場和磁場相互競爭極大延長了電子運動路程，增加了電子碰撞的電離幾率所致。隨電極位置由45度位置變化為180度位置時，基體離子電流值線性減??；隨電極電壓的增加，基體離子電流值均逐漸增加；隨勵磁電流的增加，基體離子電流值均線性增加。
　　不同外場增強 HIPIMS放電系統(tǒng)等離子體分布研究結(jié)果表明，電場增強HIPIMS放電時真空室內(nèi)各個位置處的基體離子電

6、流均增加，系統(tǒng)等離子體密度增幅最高可增加到3倍。磁場增強 HIPIMS放電時隨著勵磁電流的增加，不同位置處收集的離子電流逐漸增加，系統(tǒng)離子流總量最高可增加到1.75倍。電-磁場復合增強 HIPIMS放電時真空系統(tǒng)內(nèi)各個位置采集的離子電流均有不同程度的增加，并且系統(tǒng)離子電流密度最高可增加到5倍多。
　　等離子體發(fā)射光譜特性研究結(jié)果表明，在相同的平均功率時，電-磁場復合增強 HIPIMS放電時系統(tǒng)中存在的Ar(0)、Ar(1+)、V(

7、0)以及V(1+)四種粒子譜線強度最高，尤其是 Ar(1+)和V(1+)峰譜線強度增加幅度較大，同時系統(tǒng)中出現(xiàn)的V(2+)峰譜線強度也比較高，表明 Ar和V具有較高的離化率，系統(tǒng)具有較高的等離子體密度。
　　采用電-磁場復合增強 HIPIMS技術(shù)制備了V膜，并對其形貌、結(jié)構(gòu)及性能進行了對比分析和研究。結(jié)果表明，相比 HIPIMS，電-磁場復合增強HIPIMS制備的V膜的(111)晶面衍射峰強度較強；V膜表面SEM形貌呈現(xiàn)出“酒坑狀

8、”表面特征，表面粗糙度較小，表面光滑、平整；V膜膜層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出細小、致密的等軸細晶形貌特征，這是由于較高的等離子體束流（能流）密度產(chǎn)生的轟擊密實效應(yīng)所致。在相同平均功率時 V膜的沉積速率提高了62％。V膜具有更低的摩擦系數(shù)，并且樣品表面未出現(xiàn)明顯的剝落跡象、磨痕輕微。與基體相比，電-磁場復合增強 HIPIMS時 V膜的Icorr下降了2個數(shù)量級，Ecor提高了0.785 V，表現(xiàn)出更優(yōu)異的耐腐蝕性能。經(jīng)200℃和300℃加熱處理之后的鍍