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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)力(鍍層內(nèi)應(yīng)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(yīng)力的影響規(guī)律,與對應(yīng)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(yīng)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