低频高功率脉冲电场构建及其对离子镀层组织结构的影响

低频高功率脉冲电场构建及其对离子镀层组织结构的影响物理气相沉积两个主流技术之一的直流磁控溅射离子镀技术,虽已被光学和微电子产业广泛采用,但因难以沉积出厚膜镀层而限制了其在精密传动件产品领域的推广使用;同时,直流电弧离子镀因脱靶粒子夹带微熔液滴、易引起低温敏感性基材表层的升温回火,而致使其难以扩展至中温、甚至低温回火的结构类精密基础件领域。渐成研究热点的高功率脉冲磁控溅射离子镀,因受磁控靶材冷却能力、及高功率模式下需避免因电子雪崩效应而引发电流失稳的技术制约,致使脉冲大电流的峰值导通宽度始终限制在百微秒量级,因而大大降低了其对改善镀层结构和提高沉积速率的期望。针对以上离子镀技术发展的制约瓶颈,本文采用自主研制的低频高功率双脉冲离子镀电源,构建出磁控阴极靶面峰值电流导通和关断周期可毫秒级独立调制的低频高功率脉冲电场环境;通过合理配置峰值电流的通断比,在不会因瞬态的高功率密度致靶材过热的前提下,研究了脉冲峰值电流及通断比(Ton/Toff)等电场参量对纯金属和化合物镀层在镀料粒子脱靶机制、瞬态脱靶速率与镀层结构等的影响规律,得到如下研究成果:1、研制出低频高功率双脉冲离子镀电源依据负压环境下氩原子离化复原的微秒周期和磁控阴极靶面电子碰撞逸出的级联增强的等离子体物理知识,研制出了电压微秒级高频波动以实现电流毫秒级稳态保持的、电压电流不同频率的双脉冲离子镀电源。通过对脉冲导通阶段输出电压的亚微秒斩波,避免了高功率模式下,因氩等离子体对靶面的强烈轰击而引发靶面电子逸出速率反欧姆剧增、进而使靶面晶界等缺陷处在焦耳热(I2Rt)作用下出现微区热熔现象。使得足以引发磁控阴极靶面粒子热发射脱靶的脉冲电流导通宽度可稳态延长至毫秒级,以达到增大瞬态沉积速率、改善镀层组织结构的目的。2、确定出镀料粒子脱靶机制转变的电场参量范围采用自主研制的低频高功率脉冲等离子体电源,对比研究了直流溅射离子镀、直流电弧离子镀、瞬态峰值输出功率高达50KW的高功率脉冲离子镀三种电场环境中,镀料粒子脱靶机制的演变过程。结果表明:在靶电流为4A-的直流溅射离子镀环境中,靶面放电印痕呈凹凸不平的陨石坑状形貌,表明此时镀料粒子的脱靶机制为受Ar+离子轰击而引发的级联碰撞脱靶;在靶电流为100A的直流电弧离子镀环境中,靶面印痕呈现平整致密且含有大量微米级电弧斑喷溅所留下的熔融态形貌,表明此时镀料粒子的脱靶机制为微熔液滴的热发射脱靶;而当峰值靶电流在25A、脉宽2ms时的低频高功率脉冲电场环境中,由靶面印痕为前两者的结合可知,镀料粒子的脱靶机制转变为碰撞+热发射混合脱靶。3、毫秒级脉冲导通宽度对纯金属及化合物镀层组织结构的影响规律在峰值电流和频率分别为7.5A和50Hz的脉冲电场环境下,当脉冲电流的导通宽度Ton从700μs延长至20ms(直流)时,虽然纯金属Ti镀层的平均沉积速率(镀层厚度与总沉积时间的比值)随脉宽的延长而显著增大,但实际沉积速率(镀层厚度与脉冲导通周期之和的比值)则随脉宽延长呈现出先增大后减小的变化趋势,且在脉宽为1.6ms左右时镀层具有最大的实际沉积速率;同时,镀层的团簇颗粒粒径随脉宽的延长显著提升,表明镀料粒子的沉积机理仍以沿镀层团簇优先晶向结晶生长为主;而对于TiN类化合物镀层,Ti元素含量随脉宽的延长先增高后小幅降低,导致镀层的显微硬度由21GPa增大至25GPa后回落至23GPa左右;Ti与TiN镀层的比内应力(镀层内应力与厚度之比)并未随脉宽的改变而发生变化。将脉宽对镀层的团簇粒径和内应力的影响规律,与对应功率的镀料粒子脱靶印痕进行对比分析发现:在峰值为7.5A低频电场条件下,即使将靶电流的脉冲宽度延长至20ms,也未能实现镀料粒子脱靶机制从级联碰撞向热发射的演变。4、脉冲峰值电流对纯金属及化合物镀层组织结构的影响规律在脉冲宽度和频率分别为2ms和50Hz的电场环境下,当峰值电流由6A增大至60A时,不仅Ti与TiN镀层的平均沉积速率均随峰值电流的提高而增大,而且,在峰值电流为24A前后,出现沉积速率由6nm/min快速增大至16nm/min的倍率式突增现象。与前述的脉宽对沉积速率影响规律不同的是:此时镀层的团簇颗粒尺度并未随沉积速率的增大而粗大化,仍以平整致密的细小团簇颗粒为主,表明此时镀料粒子的脱靶机制已开始由级联碰撞向热发射演变。对应的化合物TiN镀层中Ti:N由0.68:1逐步提升至0.92:1,并使其显微硬度由20GPa提升至25.8GPa。同时,T