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利用朗缪尔双探针诊断电弧离子镀等离子体参数

袁方园  
【摘要】: 电弧离子镀是一种优良的薄膜沉积技术,有着其它镀膜形式不可比拟的优点:如高的离化率,高的沉积速率和良好的膜基结合强度等,利用这种技术制备的氮化物薄膜,如TiN,CrN等,已经在工业生产中得到了广泛应用。电弧镀等离子体的性质对薄膜沉积质量具有决定性影响,测试其参数是必要的基础研究工作。但目前具体的数据却少有报导。造成这种情况的一个主要原因是到目前为止缺乏诊断电弧离子镀等离子体的有效手段。这是由于利用朗谬尔探针诊断电弧离子镀等离子体时遇到了高电子电流密度、强扰动、易污染等问题。 本文利用基于虚拟仪器的朗缪尔双探针系统对电弧离子镀等离子体进行了诊断研究。双探针具有收集电流小的优点(不超过离子饱和电流),可以避免探针在高密度电弧离子镀等离子体中收集电子电流而被烧坏。基于虚拟仪器的设计能够根据等离子体扰动的频率,灵活设定数据采样率并进行大数量的采样平均,结合离散傅立叶变换(DFT)对测量曲线进行平滑,有效地克服了电弧离子镀等离子体放电所固有的强烈波动。探针端部设计能够避免由薄膜沉积造成的探针与支撑杆短路问题。上述措施使探针能够长时间稳定工作,满足了实用化的要求。诊断实验在使用实际的电弧离子镀工艺参数放电的条件下进行,结果表明,工件所在区域等离子体密度随弧电流和气压的增加而增加,而电子温度随弧电流和气压变化不明显。另外,使用双靶放电等离子体密度和电子温度高于单靶放电。实验还发现,与单靶放电相比,使用双靶放电工件所在区域的等离子体密度更加均匀。这些结果提供了电弧离子镀等离子体的基本参数,对于材料涂层工艺研究具有积极意义。


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