2kA高功率脉冲磁控溅射电源研制及Cr-DLC薄膜制备

论文摘要

由于高的金属离化率,高功率脉冲磁控溅射（HPPMS）技术制备的薄膜结构致密,性能优异。对于大型磁控靶,HPPMS峰值功率可以提高到兆瓦级,脉冲电流可以达到几千安,这对于工业应用中大型工件的薄膜制备以及沉积效率都有着重要意义,而高压大电流电源是实现HPPMS的关键技术。本文首先研制了一台脉冲峰值功率4MW,脉冲峰值电流2kA高功率脉冲磁控溅射电源,采用pspice软件对电源进行仿真分析并进行等离子体实际负载测试,并用所研制的电源进行大电流下等离子体放电特性研究。然后用所研制的电源在不锈钢和Si（100）上沉积性能优异的Cr-DLC薄膜,分别研究不同Ar/C2H2流量比、复合直流、基体负偏压和频率脉宽对薄膜微观结构和性能影响。电源仿真分析和等离子体负载测试表明,所研制的电源达到设定的要求,仿真结果和实际测试差别不大,电源运行稳定。等离子体放电特性研究表明,在大型靶材上靶电流脉冲峰值达到1600A,气体和金属离化率均大幅提高。靶电流随靶电压、工作气压和脉宽的增大而增大,随频率的增大而降低。所制备的Cr-DLC薄膜厚2|ìm,膜厚均匀。薄膜表面光滑平整,薄膜致密。AFM测试发现薄膜表面平均粗糙度随复合直流的增大而显著增大,随C2H2流量的增大而减小,并由岛状生长模式向层状模式转变。XRD分析表明,薄膜中存在Cr3C2（215）相,当偏压增大,其衍射峰强度显著增大。Raman光谱分析表明薄膜具有典型的DLC膜特征,随C2H2流量增大,ID/IG减小。当复合直流为0.5A时,sp3相对含量最大。XPS分析表明,薄膜中主要含有Cr、C、O元素,Cr元素主要存在于金属Cr和Cr3C2中。随C2H2流量增加,薄膜中C含量从68.72%增大到81.26%,相应的Cr含量从11.52%降低到1.72%;当Ar/C2H2为10/5时,sp3杂化态中C含量最高,达到46.8%。纳米硬度表明薄膜硬度在18GPa和26GPa之间。薄膜有优异的摩擦性能,摩擦系数最小为0.1,磨痕形貌浅且光滑平整。掺Cr后DLC薄膜与基体结合力大大提高,最高达到38N。电化学腐蚀表明Cr-DLC薄膜有优异的耐腐蚀性能,腐蚀电压较不锈钢基体大幅提高,腐蚀电流下降一个数量级。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 磁控溅射
• 1.3 高功率脉冲磁控溅射（HPPMS）
• 1.4 高功率脉冲磁控溅射电源
• 1.5 类金刚石薄膜
• 1.5.1 DLC 薄膜成分和结构
• 1.5.2 DLC 薄膜制备方法
• 1.5.3 DLC 薄膜存在的问题和解决方法
• 1.6 本课题主要研究内容
• 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 试样预处理
• 2.2 试验设备及试验流程
• 2.2.1 试验设备
• 2.2.2 试验流程
• 2.3 薄膜分析方法
• 2.3.1 薄膜微观结构分析方法
• 2.3.2 薄膜性能测试方法
• 第3章 2kA 高功率脉冲磁控溅射电源研制
• 3.1 电源整体方案设计
• 3.2 电源仿真设计
• 3.2.1 直流输出关键部分仿真
• 3.2.2 脉冲部分仿真分析
• 3.3 主电路设计
• 3.3.1 整流滤波部分设计
• 3.3.2 DC/DC 逆变桥设计
• 3.3.3 脉冲部分设计
• 3.4 保护电路设计
• 3.4.1 IGBT 吸收电路设计
• 3.4.2 灭弧保护电路设计
• 3.5 电源测试
• 3.6 电源等离子体负载测试及放电特性研究
• 3.7 本章小结
• 第4章 Cr-DLC 薄膜制备及微观结构
• 4.1 Cr-DLC 薄膜表面形貌和截面形貌
• 4.1.1 Cr-DLC 薄膜表面形貌
• 4.1.2 Cr-DLC 薄膜截面形貌
• 4.2 Cr-DLC 薄膜XRD 相结构
• 4.3 Cr-DLC 薄膜Raman 光谱
• 4.4 Cr-DLC 薄膜元素成分及化学态
• 4.5 本章小结
• 第5章 Cr-DLC 薄膜性能
• 5.1 薄膜与基体结合力
• 5.2 薄膜硬度
• 5.3 Cr-DLC 薄膜的耐磨性
• 2H₂ 流量影响'>5.3.1 C₂H₂流量影响
• 5.3.2 不同复合直流对Cr-DLC 薄膜摩擦性能影响
• 5.3.3 不同偏压对Cr-DLC 薄膜摩擦性能影响
• 5.3.4 不同频率脉宽对Cr-DLC 薄膜摩擦性能影响
• 5.4 薄膜电化学腐蚀性能
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢