多弧离子镀沉积过程的计算机模拟研究

论文摘要

多弧离子镀在现代科技领域中有着广泛的应用。人们对薄膜的沉积过程通过理论和实验进行了深入的研究。随着计算机技术的进步和对镀膜物理过程的理解,利用计算机对多弧离子镀的沉积过程进行模拟,是进行薄膜材料研究的有效方法。本论文概述了利用计算机来直观模拟多弧离子镀的镀膜过程。首先建立一套镀膜过程的物理模型,包括源粒子蒸发过程模型、偏压电场分布模型、粒子运动过程模型、粒子吸附过程模型,使其与真空镀膜室内的实际镀膜过程保持一致。然后建立数学模型,把多弧离子镀设备的真空镀膜室看作一圆柱形的设备,基片看作中间的杆。筒壁和上下底为正极,杆为负极。在正负极间外加电压（称为“负偏压”） ,把电压转化为电场中场强对电荷的作用,电场力就可以看作是正负电荷对电场中电荷的力的作用。靶材蒸发而形成的等离子体在电场的作用下被加速。先进行电场强度的计算,利用库仑定律并运用积分法分别计算杆、上下底及筒壁对真空镀膜室内电场的贡献;并通过电荷Q来计算的电场强度在显示时转化为用偏压U来表述的电场强度;然后进行带电粒子在电场中的受力分析及位移和速度的计算;最后模拟带电粒子在电场中运动的轨迹。这样在假设的基础上完成了模型的建立,以上各式经过反复的检验证明是准确无误的。最后在数学模型的基础上采用VC++语言,编制程序对镀膜过程进行了计算机模拟。本论文在近似计算的基础上,通过对圆柱形真空镀膜室-偏压电场的模拟,用曲线图表明了电场强度E和两坐标轴ρ与z的关系,设计了对称的粒子接收屏（与实际镀膜实验中的基片相当）,讨论了在不同的偏压电场下粒子的运动特性,得出了多弧离子镀的涂层成分及其均匀性的影响因素,并研究出合金靶材中不同带电粒子的相对接收比例,揭示了成分离析效应的影响因素,从而可以进行阴极靶材的合金成分设计及涂层的合金成分控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究的意义
• 1.3 课题的来源及研究内容方法
• 1.3.1 课题的来源
• 1.3.2 研究内容方法
• 1.4 研究技术路线
• 2 文献综述
• 2.1 多弧离子镀技术的概述
• 2.1.1 多弧离子镀简介
• 2.1.2 多弧离子镀技术的特点
• 2.2 计算机模拟技术的概述
• 2.2.1 计算机模拟技术的特点
• 2.2.2 材料加工工艺的计算机模拟技术
• 2.3 多弧离子镀的计算机模拟技术的国内外研究现状及发展趋势
• 3 多弧离子镀沉积过程模拟的理论基础
• 3.1 真空物理基础
• 3.1.1 真空度和真空区域的划分
• 3.1.2 气体分子运动论的相关知识
• 3.2 等离子体物理基础
• 3.2.1 低温等离子体物理概述
• 3.2.2 弧光放电特性
• 3.2.3 带电粒子与表面的作用
• 3.3 多弧离子镀的基本原理
• 3.4 薄膜的生长
• 3.4.1 薄膜的生长过程概述
• 3.4.2 吸附和凝结过程
• 3.5 多弧离子镀薄膜的物理过程分析
• 3.6 影响多弧离子镀的涂层质量的主要工艺参数
• 3.6.1 轰击负偏压
• 3.6.2 反应气体压强
• 3.7 多弧离子镀的离化率和成分离析效应
• 3.7.1 阴极电弧产物与离化现象
• 3.7.2 离化率
• 3.7.3 成分离析效应
• 4 数学模型的建立
• 4.1 电场强度的计算
• 4.2 通过电荷Q 计算的电场强度转化为用偏压U 表述的电场强度
• 4.3 带电粒子在电场中的受力分析及其速度和位移的计算
• 4.4 模拟带电粒子在电场中运动的轨迹
• 5 程序的编制
• 5.1 模拟的内容
• 5.2 软件介绍
• 5.3 程序语言的介绍
• 5.3.1 面向对象的程序设计
• 5.3.2 Visual C 语言的介绍
• 5.3.3 程序设计的基本步骤
• 5.4 系统框图
• 5.5 系统流程图
• 5.6 算法流程图
• 6 模拟结果与讨论
• 6.1 粒子蒸发过程的模拟结果
• 6.1.1 粒子蒸发的宏观过程
• 6.1.2 粒子蒸发的微观过程
• 6.2 偏压电场分布情况的模拟结果
• 6.2.1 偏压电场分布曲线
• 6.2.2 一个粒子在偏压电场内的运动情况
• 6.3 粒子运动过程的模拟结果
• 6.4 粒子吸附过程的模拟结果
• 6.5 模拟结果的讨论与验证
• 6.5.1 偏压电场及其分布情况
• 6.5.2 偏压对涂层均匀性的影响
• 6.5.3 成分离析效应的分析
• 7 结论
• 参考文献
• 附录 A 主要程序代码
• 在学研究成果
• 致谢