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轴对称磁场对电弧离子镀弧斑运动和AlTiN薄膜表面形貌的影响

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轴对称磁场对电弧离子镀弧斑运动和AlTiN薄膜表面形貌的影响

NiCr和TiAl合金靶材阴极电弧弧斑的运动特性

TFC'07全国薄膜技术学术研讨会

作者：郎文昌肖金泉宫骏孙超闻立时中国科学院金属研究所材料表面工程研究部

本文利用自行设计的电磁线圈产生的轴对称磁场对电弧离子镀弧斑的运动进行控制,研究了磁场对阴极弧斑的运动和沉积的 AlTiN 薄膜的表面形貌的影响规律。利用有限元分析软件 FEMM 对轴对称磁场的分布进行了模拟,分析了靶面不同磁场分量... 详细信息

本文利用自行设计的电磁线圈产生的轴对称磁场对电弧离子镀弧斑的运动进行控制,研究了磁场对阴极弧斑的运动和沉积的 AlTiN 薄膜的表面形貌的影响规律。利用有限元分析软件 FEMM 对轴对称磁场的分布进行了模拟,分析了靶面不同磁场分量的分布规律;采用 SHT-V 型磁强计对实验所采用磁场的强度进行了测量。结果表明：当轴对称磁场比较小的时候,弧斑在靶面上呈无规的随机运动;随着磁场强度的增加,弧斑逐渐在无规运动的同时,表现出了旋转运动的趋势,并且向靶面边缘扩展;当磁场增加到临界强度的时候,弧斑在靶材边缘稳定的快速旋转运动,弧斑分裂,靶面中心处每隔0．5s 左右出现多个细的圆斑线,然后很快向外扩展消失;同时,出现电弧电压升高,等离子体通道增亮的现象,靶材边缘出现明显的刻蚀轨道。讨论了不同磁场分量下弧斑的运动规律,分析了在轴对称磁场条件下弧斑运动的变化以及出现的其他现象的原因。利用扫描电镜(SEM)观察了不同磁场强度下沉积的 AlTiN 薄膜的表面形貌, 并利用图象分析软件(SISC IAS V8．0)对薄膜表面的颗粒分布进行了统计分析。结果表明：随着横向磁场分量从2Gs 增加到40Gs 时,颗粒所占的面积比从39．35％降低到了6．2％,不同直径范围内的颗粒数以及大于某个直径的颗粒数都有明显的降低,颗粒的总体分布情况具有相似性。讨论了随着轴对称磁场中横向分量的增加,AlTiN 薄膜表面大颗粒减少的机制。

关键词：电弧离子镀轴对称磁场弧斑运动 AlTiN 表面形貌

来源： cnki会议评论

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中国表面工程 2019年第3期32卷 59-68页

作者：左帅王浩琦陈淑年庞盼廖斌北京师范大学核科学与技术学院北京100875 北京市辐射中心北京100875

研究采用多弧离子镀技术镀膜时,电弧放电阶段中电弧弧斑的运动对后续膜层质量与靶材烧蚀有着非常重要的影响,目前很少有弧斑运动相关的研究。研究通过外加脉冲磁场以实现对阴极靶面磁场分布的精确调控,探究了磁场分布对弧斑运动的影响,... 详细信息

研究采用多弧离子镀技术镀膜时,电弧放电阶段中电弧弧斑的运动对后续膜层质量与靶材烧蚀有着非常重要的影响,目前很少有弧斑运动相关的研究。研究通过外加脉冲磁场以实现对阴极靶面磁场分布的精确调控,探究了磁场分布对弧斑运动的影响,并结合分形理论分析弧斑的运动轨迹,系统研究了电弧放电过程中靶面电弧弧斑的运动特性。结果表明,在永磁铁磁场与脉冲磁场共同作用下,弧斑在原有的随机运动基础上叠加了反安培力方向的旋转运动与向靶沿扩散的漂移运动。随着靶面总磁场强度的上升,弧斑平均运动速度增加,弧斑寿命变短;弧斑运动范围可控,最大运动范围可覆盖靶面的90%以上;分形维数可控,镍铬合金靶和钛铝合金靶弧斑轨迹图像的最大分形维数可分别为1.145和1.159,对应靶材烧蚀区域面积达到92%。通过改进工艺参数,能够显著减少大颗粒污染并提升膜层质量,同时通过维数可预测靶材烧蚀情况,能更高效地利用靶材。

关键词：多弧离子镀弧斑运动靶材烧蚀脉冲磁场分形

电弧离子镀用AlTi合金靶材应用关键技术研究

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电弧离子镀用AlTi合金靶材应用关键技术研究

作者：张权广东工业大学

学位级别：硕士

靶材是制备PVD涂层的重要原材料,靶材的纯度、密度和组织结构直接影响靶材的烧蚀和涂层的成分、结构及使用性能。随着气相沉积技术的快速发展,新的靶材制备技术不断出现,靶材质量和性能也取得了显著提高。但物理气相沉积镀膜在真空等离... 详细信息

靶材是制备PVD涂层的重要原材料,靶材的纯度、密度和组织结构直接影响靶材的烧蚀和涂层的成分、结构及使用性能。随着气相沉积技术的快速发展,新的靶材制备技术不断出现,靶材质量和性能也取得了显著提高。但物理气相沉积镀膜在真空等离子体下进行,靶材中的原子通过等离子体作用有一个再组织和生长的过程,受到磁场、电场、温度、化学反应等复杂因素的影响,通常意义上评价靶材的指标(纯度、密度、晶粒尺寸等)并不能准确描述其使用效果。如何将靶材的一些参数与涂层性能对应起来,提供涂层生产终端切实可行的靶材方案,是靶材走向高端化发展必须解决的一个关键问题,但是目前对靶材的系统研究报道相对较少。本论文采用电弧离子镀技术,分别使用德国知名品牌GfE的AlTi合金靶材,国产品牌安泰(AT&M)Ti颗粒尺寸为200μm、125μm、75μm以及35μm的A1Ti合金靶材(Al:Ti=67at%:33at%)制备AlTiN涂层。通过对靶面弧斑运动轨迹、涂层的物相结构、力学性能、真空退火、摩擦磨损进行系统的研究,将靶材参数与涂层性能对应起来。主要内容包括：1.分别确定靶电流、沉积气压以及基体偏压三项基本工艺参数,从而制备出性能较好的AlTiN涂层。2.分别使用AT&M和GfE AlTi合金靶材(Al:Ti=67at%:33 at%)在不同电磁场电压下制备AlTiN涂层。研究两种靶材在不同电磁场强度下制备的涂层性能差异。结果表明不同电磁场强度下靶面的弧斑运动状态不同,导致所沉积的涂层性能发生改变。实验发现靶材热导率是影响涂层性能的关键因素,而靶材热导率则与制备靶材的金属粉末颗粒尺寸有关。3.分别使用不同Ti颗粒尺寸的AT&M AlTi合金靶材在相同工艺参数下沉积AlTiN涂层并进行对比。进一步验证Ti颗粒尺寸的不同对沉积AlTiN涂层性能的影响。实验结果表明靶材的Ti颗粒尺寸的不同对沉积时靶面的弧斑运动产生影响,导致沉积涂层在性能上产生差异。在相同的靶材成分下,Ti颗粒尺寸更小的靶材所沉积的涂层表现出更优异的表面质量和力学性能。4.靶材参数与涂层性能的对应关系表现为：制备靶材的金属粉末颗粒尺寸大小对靶材的热导率产生影响,靶材的热导率的差异导致沉积时靶面弧斑的尺寸和运动状态不同,涂层的性能受到靶面弧斑的尺寸与运动状态的影响。

关键词：电弧离子镀 AlTiN涂层 AlTi合金靶材靶材组织结构弧斑运动涂层性能

钛靶受控阴极电弧的放电特性与大颗粒缺陷研究

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钛靶受控阴极电弧的放电特性与大颗粒缺陷研究

作者：陈仁德中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)

学位级别：硕士

兼具高硬度、低摩擦、高抗温性、强韧一体的高性能刀具涂层技术,是实现以数控机床为基础的现代制造业的三大核心切削技术之一。阴极真空电弧的金属离化率高、沉积速率快、膜基结合好,采用其制备的氮化物陶瓷基硬质涂层是当前加工铁基体... 详细信息

兼具高硬度、低摩擦、高抗温性、强韧一体的高性能刀具涂层技术,是实现以数控机床为基础的现代制造业的三大核心切削技术之一。阴极真空电弧的金属离化率高、沉积速率快、膜基结合好,采用其制备的氮化物陶瓷基硬质涂层是当前加工铁基体料和轻质难加工材料的典型刀具涂层体系之一。但因电弧产生机制复杂和弧斑运动不规则,宏观大颗粒共沉积严重,导致涂层晶粒粗大、质量差,这使其应用受到严重制约。本论文基于自主设计、研制的高离化率磁控溅射复合受控阴极电弧镀膜装置,通过实验测量、几何仿真与磁场模拟分析,对比研究了受控阴极电弧在有无外加电磁线圈情况下,阴极靶材表面及近表面内的磁场分布、磁感应强度、及其对弧斑运动轨迹的影响规律,并探讨了不同弧流及线圈电流调节下制备的Ti、TiN涂层的表面形貌及大颗粒分布情况。相关结果在理解受控阴极电弧的放电特性基础理论和发展钛基涂层材料关键技术方面都意义重大。首先,我们构建了受控阴极电弧的几何模型,结合优化的COMSOL物理模型,分析了倾斜磁场与弧斑运动的依存关系。基于Matlab脚本,分析了不同弧流及工作气体下,阴极表面的弧斑分布、大小、运动轨迹和运行速率。通过等离子体鞘层模型和带电粒子受力分析,建立了倾斜磁场分布与弧斑运动轨迹之间的关系。结果表明:在较弱的阴极表面永磁磁场下,弧斑做螺旋向内和向外的交替运动,同时还伴随一定的随机运动,增强磁场有利于靶材的均匀刻蚀,从而减少大颗粒的溅射。进一步,引入外加磁场,建立了电磁耦合永磁铁磁场的有限元分析模型,研究了不同线圈电流条件下阴极表面及近表面区域内的磁感应强度分布和线圈电流对电弧光斑运动轨迹的影响。结果表明:阴极表面弧斑的运动行为主要受磁感应强度平行分量和垂直分量的影响,调节线圈电流,可不同平行分量和垂直分量的分布。磁感应强度平行分量越强弧斑旋转速率越快,平行分量最大时弧斑尺寸较小;平行分量为零的区域弧斑无规则运动显著增强,同时弧斑尺寸增加。当磁感应强度垂直分量与平行分量大小相差较小时,弧斑在阴极表面均匀分布,且弧斑尺寸较小;但当垂直分量径向梯度较大时,磁场越强的地方扫描速率越快,弧斑将长时间停留在垂直分量很小的地方作旋转运动。根据弧斑运动行为的分析,进一步调控阴极电弧弧流和线圈电流,研究了其对Ti、TiN两类典型涂层制备与表面形貌的影响。发现随弧流减小,阴极电弧放电减弱,弧斑运动随之发生变化,涂层表面大颗粒减少、粗糙度降低。当调节耦合电磁场的线圈电流至3.5 A时,磁场平行分量和垂直分量大小相差较小,涂层表面大颗粒最少,其中Ti涂层平均粗糙度为103 nm,TiN涂层平均粗糙度为20.2nm,相比未加电磁场时两类涂层的粗糙度降低了约1倍。

关键词：真空阴极电弧源永磁铁电磁线圈弧斑运动大颗粒

真空电弧离子镀弧源内部冷却系统的温度场模拟研究

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真空电弧离子镀弧源内部冷却系统的温度场模拟研究

作者：王光文东北大学

学位级别：硕士

真空电弧离子镀技术是一种将弧光放电应用到蒸发源的镀膜技术,同时也是离子镀的一种改进方式,这种镀膜技术广泛应用于很多领域,如在装饰镀薄膜、硬质镀薄膜、超硬金属薄膜和光电薄膜等,占据了越来越重要的地位。电弧离子镀技术具有离子... 详细信息

真空电弧离子镀技术是一种将弧光放电应用到蒸发源的镀膜技术,同时也是离子镀的一种改进方式,这种镀膜技术广泛应用于很多领域,如在装饰镀薄膜、硬质镀薄膜、超硬金属薄膜和光电薄膜等,占据了越来越重要的地位。电弧离子镀技术具有离子能量高、膜基结合力好、膜层致密性好和沉积速率快等优点,但是大颗粒的污染问题和靶材利用率问题仍是制约它进一步发展的难题,造成这一现象的原因是弧斑过于集中使靶材过热,从而形成熔池,产生大颗粒。减少大颗粒的有效方法是控制弧斑运动区域和速率、提高离化率、降低放电功率以及改善冷却结构等,其中对弧源内部冷却结构的改善和控制弧斑运动区域对靶面温度的控制具有重要意义。本文首先对电弧离子镀基本原理和流体动力学基本理论进行了分析,对温度场进行了两种热源边界的设置,并对两种热源边界条件的结构化温度场进行了研究,最后对两种热源边界的仿真结果进行了对比分析。主要研究内容有两方面:一方面是冷源控制的传热特性对靶面温度的影响研究;另一方面是磁场控制弧斑运动轨迹从而影响靶面温度的机理研究,这两部分内容都是通过实验、磁场模拟和温度场模拟几方面进行比较研究。在对两种热源边界设置的基础上,用热流固耦合的方法对冷却结构的流场和温度场进行了研究。开展了冷却系统改进前后的流体域对比研究;基于传热基本理论,对两种热源边界条件下的温度场进行对比研究,对计算结果进行了论证。本文研究了不同边界条件对靶面温度场的影响规律,包括对冷却水入口速度、入口温度、冷却背板接触厚度和靶材材料的影响规律进行了分析,以研究结果为基础,对弧源的冷却结构做了进一步改进,进行了对比分析。研究结果表明,冷却参数对靶面温度分布的影响不大。最后,本文对静态和动态磁场下靶面的磁场分布进行了仿真分析和实验验证,研究了靶面磁场分布对弧斑运动轨迹和靶面温度分布的影响规律,对动态磁场下的环状弧斑运动进行了仿真分析,将理论分析的结果与实验数据进行了对比分析。研究结果表明:弧斑在全靶面运动时,弧斑在中心区域出现概率较少的情况下,膜层质量较好。

关键词：真空电弧离子镀冷却结构温度场弧斑运动磁场控制

阴极电弧源磁场特性对大颗粒和靶材利用率的影响规律研究

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阴极电弧源磁场特性对大颗粒和靶材利用率的影响规律研究

作者：乔宏东北大学

学位级别：硕士

电弧离子镀膜技术是一种将真空弧光放电用于蒸发源的真空镀膜技术,具有离子能量高、沉积速率快、膜-基结合力高、膜层致密、离化率高等优点,广泛地应用于硬质薄膜、装饰薄膜、金属薄膜和光电薄膜（多系金属氧化物）等多个领域。然而,大... 详细信息

电弧离子镀膜技术是一种将真空弧光放电用于蒸发源的真空镀膜技术,具有离子能量高、沉积速率快、膜-基结合力高、膜层致密、离化率高等优点,广泛地应用于硬质薄膜、装饰薄膜、金属薄膜和光电薄膜（多系金属氧化物）等多个领域。然而,大颗粒污染问题、靶材利用率低的问题始终限制着电弧离子镀技术的发展。阴极电弧源作为电弧离子镀技术的核心部件,是电弧离子镀膜系统的关键。本文从阴极电弧源的电弧放电机理出发,采用“模拟+实验”的研究方法,通过磁场控制弧斑的运动,改善制备膜层过程中的大颗粒污染问题,以及靶材利用率低的问题。调研可知,水平磁场强度影响弧斑运动的速度,垂直磁场强度影响弧斑运动的位置。本文通过优化轴对称磁场结构,将靶面各位置的垂直磁场调整至同一强度值,使弧斑均匀的分布在整个靶面,且随着靶材熔点的降低,需要提高垂直磁场强度以保持弧斑的全靶面运动;水平磁场强度的增加,弧斑的速度显著提高,弧斑从模糊的团状、织网状运动向清晰的圆周运动转变。弧斑的运动速度、运动范围会影响靶面的热量分布,进而影响制备的膜层的质量。随着弧斑运动速度的提高以及运动范围的增加,膜层的质量得以改善,大颗粒数量显著减少,同时膜层中的N元素含量增加,金属元素含量降低。由于靶材熔点不同,膜层厚度表现出不同的变化规律,低熔点靶材制备的膜层表面质量越好,沉积速率相对较慢;高熔点靶材的膜层厚度会随着弧斑运动范围的增大而增加。在优化后轴对称磁场下制备的膜层的组织结构,不会随着磁场分量的变化而改变,具有一定的稳定性。本文依据静态磁场下的膜层实验结果,确定了动态磁场下的弧斑运动的控制机理及方法,通过改变电磁线圈方波激励的频率、幅值,控制弧斑在靶面的分布,使靶面的温度分布、靶材刻蚀均匀化,极大地提高了膜层表面质量以及靶材利用率。

关键词：阴极电弧源磁场仿真弧斑运动动态磁场大颗粒