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PBAIP等离子体鞘层物理特性的应用研究

刘磊  
【摘要】:脉冲偏压电弧离子镀(Pulsed Bias Arc Ion Plating,PBAIP)是近十几年来发展起来的一种新兴薄膜沉积技术,与传统的电弧离子镀技术相比,它具有沉积温度低、残余应力小、晶粒细化及颗粒净化等优点,为沉积性能优异的多层薄膜提供了条件。但是脉冲偏压等离子体鞘层理论方面的计算研究进展不足于达到指导实验的程度,尚未形成理论应用于实验并从实验的信息反馈中完善自己的益性研究循环。 本文在对脉冲偏压等离子体鞘层特性进行理论计算研究后,为了验证其对实验有指导意义,设计了两组实验,并对实验结果进行相关的分析与检测。 首先,针对绝缘基板,本文建立了自洽的射频和脉冲等离子体鞘层流体动力学模型,研究了脉冲偏压等离子体鞘层物理特性以及脉冲偏压频率、占空比和幅值对绝缘基板表面充电效应和轰击到绝缘基板上离子能量分布的影响。模型包括离子连续性方程、动量方程和泊松方程,特别是提出了可以自洽地决定绝缘基板表面电势、表面电荷密度和鞘层厚度关系的等效电路方程。模拟结果表明,轰击到绝缘基板上的离子能量分布具有双峰结构,脉冲偏压下的离子能量分布近似为断续的,因而可以得到较为均匀的离子能量。 然后,设计并参与完成两组实验: (1) 在高速钢上沉积(TiNb)N薄膜; (2) 分别在取向为(100)的单晶Si片上和316L不锈钢上沉积TiO_2薄膜。 利用X射线衍射(XRD)对薄膜的相组成进行了分析,运用扫描电子显微镜(SEM)对薄膜的表面形貌进行了观察,考察了不同脉冲偏压对薄膜组织和微观结构的影响。 最后,得到以下结论: 脉冲偏压的增大使进入脉冲偏压鞘层内的离子获得更高的能量,克服了化合物生成所需要克服的能量势垒,生成了不同的薄膜组织结构。从某种角度上证明了我们理论计算对实验的指导意义。


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