多波形脉冲偏压电源控制系统研制与CrN薄膜制备

论文摘要

磁控溅射技术是目前薄膜制备领域中最常用的技术之一,具有低温、高效两大优势。在膜层制备过程中,通常在基体上施加一定的负偏压配合磁控溅射镀膜,且大量研究表明,基体加负偏压可以显著提高薄膜性能。但目前关于偏压的研究只限于偏压幅值、频率、脉冲宽度等因素,对偏压波形形式对薄膜性能的影响却极少涉及。本文依据固态开关Marx高压脉冲电路的结构特点,采用C805IF020配合定时/计数芯片8254研制了固态开关的单片机智能控制驱动电路方案,实现了高压脉冲电源的多种波形输出,并以此作为偏压源,复合直流磁控溅射技术制备了CrN薄膜,对比分析了四种不同偏压波形形式对CrN薄膜性能的影响,同时还研究了每种偏压波形形式下所制备的CrN薄膜性能随偏压参数变化的演变规律。应用扫描电镜(SEM),原子力显微镜(AFM),X射线衍射(XRD),纳米硬度等分析手段来分析膜层的微观结构,表面形貌,相结构和力学性能。不同偏压形状下制备的CrN薄膜性能研究表明,相比于普通方波偏压,控制脉冲波形的上升沿或下降沿产生的阶梯型偏压所制备的CrN薄膜具有更优良的力学、电化学、摩擦性能,更好的膜基结合力。AFM表面形貌分析得出,各偏压制备的CrN薄膜表面主要为岛状颗粒,阶梯偏压下晶粒更为细小均匀。AFM表面粗糙度分析显示,阶梯偏压下薄膜表面粗糙度大大降低。这表明,相对于传统的方波偏压,优化的多样化偏压波形可以显著提高膜层性能。不同偏压参数下所制备的薄膜性能研究表明,随偏压幅值增加,薄膜硬度与弹性模量增加;脉冲频率低于350Hz时薄膜硬度与弹性模量随频率增大而增加,频率继续增加时薄膜力学性能增长缓慢甚至变差。偏压幅值增加时,薄膜抗腐蚀性能提高;脉冲频率增加时,对薄膜抗腐蚀性能提高作用并不明显,说明相比脉冲频率,偏压幅值对膜层性能影响更为显著。XRD分析结果表明,薄膜结构以面心立方的CrN相为主,随着电压增大,CrN(200)衍射峰越来越强,晶粒生长朝(200)择优取向越明显。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 磁控溅射原理及其特点
• 1.3 偏压及偏压电源研究现状
• 1.3.1 偏压对磁控溅射作用研究现状
• 1.3.2 脉冲电源控制系统研究现状
• 1.4 CrN 硬质薄膜研究现状
• 1.4.1 多弧离子镀制备CrN 薄膜
• 1.4.2 磁控溅射制备CrN 薄膜
• 1.5 研究目的及内容
• 第2章 实验材料及方法
• 2.1 实验材料与试样制备
• 2.2 直流磁控复合多波形偏压溅射系统
• 2.3 CrN 薄膜的制备方法
• 2.3.1 溅射清洗
• 2.3.2 CrN 薄膜制备
• 2.4 直流磁控制备CrN 薄膜形貌与结构分析
• 2.4.1 扫描电镜（SEM）观察
• 2.4.2 原子力显微镜（AFM）观察
• 2.4.3 XRD 相结构分析
• 2.5 CrN 薄膜性能分析
• 2.5.1 薄膜纳米硬度检测
• 2.5.2 薄膜摩擦磨损性能检测
• 2.5.3 薄膜腐蚀特性测试
• 2.5.4 膜基结合力测试
• 第3章 多波形高压脉冲电源控制系统设计
• 3.1 电源总体设计方案
• 3.2 控制系统硬件设计
• 3.2.1 控制器件特点
• 3.2.2 脉冲信号时钟电路
• 3.2.3 驱动脉冲输出电路
• 3.2.4 驱动脉冲辅助电路
• 3.3 控制系统软件设计
• 3.3.1 频率一致性
• 3.3.2 参数保存与系统恢复
• 3.4 控制系统抗干扰设计
• 3.4.1 硬件抗干扰
• 3.4.2 软件抗干扰
• 3.5 电源调试
• 3.6 本章小结
• 第4章 偏压形状对直流磁控溅射制备CrN 薄膜的影响
• 4.1 前言
• 4.2 偏压形状对CrN 薄膜微观性能的影响
• 4.2.1 表面形貌
• 4.2.2 表面粗糙度
• 4.2.3 截面显微结构与厚度
• 4.2.4 薄膜相结构
• 4.3 偏压形状对CrN 薄膜宏观性能的影响
• 4.3.1 薄膜力学性能
• 4.3.2 薄膜抗腐蚀性能
• 4.3.3 薄膜摩擦磨损性能
• 4.3.4 薄膜与基体结合力
• 4.4 本章小结
• 第5章 脉冲偏压幅值与频率对直流磁控溅射制备CrN 薄膜的影响
• 5.1 直流磁控复合缓降缓升偏压制备CrN 薄膜
• 5.1.1 CrN 薄膜表面形貌
• 5.1.2 膜层力学性能
• 5.1.3 膜层抗腐蚀性能
• 5.2 直流磁控复合陡降缓升偏压制备CrN 薄膜
• 5.2.1 CrN 薄膜表面形貌
• 5.2.2 膜层力学性能
• 5.2.3 膜层抗腐蚀性能
• 5.3 直流磁控复合缓降陡升偏压制备CrN 薄膜
• 5.3.1 CrN 薄膜表面形貌
• 5.3.2 膜层力学性能
• 5.3.3 膜层抗腐蚀性能
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢