高功率复合脉冲磁控溅射等离子体特性及TiN薄膜制备

论文摘要

磁控溅射技术成膜的粒子能量高,所镀膜层密度高、针孔少、纯度高,广泛应用于金属和化合物薄膜沉积。但是,传统的直流磁控溅射技术沉积速率低,靶功率密度受靶热负荷的限制,当溅射电流较大时,过多的阳离子对靶进行轰击使溅射靶过热而烧损。为提高磁控溅射的溅射速率,人们发展了高功率脉冲磁控溅射技术,但是高功率脉冲磁控溅射瞬时功率虽然很高,其平均功率并不高,并且存在起辉延迟和打弧的现象。所以,采用高功率复合脉冲磁控溅射技术,进一步提高高功率脉冲磁控溅射的溅射速率和改善其工艺性能显得尤为重要。本文自行研制了一台高功率复合脉冲磁控溅射电源,用此电源研究了高功率复合脉冲磁控溅射的等离子体离子密度分布。在奥氏体不锈钢表面采用高功率复合脉冲磁控溅射技术沉积TiN薄膜,通过扫描电子显微镜（SEM）、球盘式摩擦试验机,电化学腐蚀平台研究了不同脉冲电流对薄膜的表面形貌、截面形貌、摩擦学性能、耐腐蚀性能的影响。电源性能测试结果表明,自行研制的高功率复合脉冲磁控溅射电源性能稳定,可用于磁控溅射过程。电源的过压和过流保护电路能够在5μs内使高功率可控晶体管器件关断,实现电源的可靠保护;在脉冲电路中加入电感,可以有效地稳定输出电压和输出电流波形,避免频繁出现真空室打火现象。等离子体密度检测结果表明,高功率复合脉冲磁控溅射的等离子体密度一般在1011/cm3数量级,而传统直流磁控溅射的等离子体密度为1010/cm3数量级,高功率复合脉冲磁控溅射大大提高了等离子体的密度。高功率复合脉冲磁控溅射的等离子体密度随脉冲电流、工作气压、钛靶直流电流、基体偏压的增加均增加,随探针与磁控靶距离的增加而减小,随电源频率增加保持不变,随电源脉宽增加先减小后基本保持不变。薄膜性能分析结果表明,随脉冲电流的增加,沉积速率增加,膜层表面致密度增加,粗糙度减小,膜层耐磨性提高。TiN薄膜的耐腐蚀性能较基体均有所下降,基体不锈钢的腐蚀形貌为粗大稀疏的腐蚀坑,随着靶脉冲电流的增加,TiN薄膜的腐蚀形貌趋向于密集细小的腐蚀坑。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 磁控溅射
• 1.2.1 磁控溅射原理
• 1.2.2 磁控溅射特点
• 1.2.3 磁控溅射研究现状
• 1.3 TiN 薄膜及其制备技术
• 1.3.1 多弧离子镀
• 1.3.2 离子束辅助磁控溅射
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 试验材料与方法
• 2.1 试验材料及试样制备
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 试样制备
• 2.2 试验设备及试验过程
• 2.2.1 试验设备
• 2.2.2 试验过程
• 2.3 测试方法
• 2.3.1 SEM 分析
• 2.3.2 耐腐蚀性能测试
• 2.3.3 摩擦磨损性能测试
• 第3章 高功率复合脉冲磁控溅射电源研制
• 3.1 电路模拟
• 3.2 电源设计
• 3.2.1 直流磁控溅射部分
• 3.2.2 脉冲磁控溅射部分
• 3.3 高功率复合脉冲磁控溅射电源调试
• 3.3.1 电源调试系统
• 3.3.2 高功率复合脉冲磁控溅射直流部分电源调试
• 3.3.3 高功率复合脉冲磁控溅射脉冲部分电源调试
• 3.4 复合脉冲磁控溅射规律研究
• 3.5 本章小节
• 第4章 等离子体密度
• 4.1 Langmuir 探针基本原理
• 4.2 高功率复合脉冲磁控溅射等离子体离子密度研究
• 4.3 高功率复合脉冲磁控溅射等离子体离子密度测量
• 4.3.1 等离子体密度测量方案制订
• 4.3.2 等离子体密度检测及其规律研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 高功率复合脉冲磁控溅射TiN 薄膜制备
• 5.1 式样照片
• 5.2 表面形貌分析
• 5.2.1 膜层截面形貌
• 5.2.2 膜层表面形貌
• 5.3 摩擦磨损性能分析
• 5.4 电化学腐蚀性能分析
• 5.5 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢