【摘要】：真空多弧離子鍍是目前應用廣泛的表面處理技術(shù)之一。其環(huán)境友好,所鍍薄膜綜合性能優(yōu)異。但鍍膜過程中產(chǎn)生的大顆粒污染影響會薄膜表面質(zhì)量和性能,嚴重制約了其在半導體行業(yè)等高性能薄膜制備中的應用。實際應用中,為限制大顆粒污染,采取了各種技術(shù)措施,磁過濾裝置便是其中之一。本文基于COMSOL Multiphysics 5.3有限元仿真軟件,針對不同類型磁過濾裝置的工藝參數(shù)和傳輸情況,提出一種可輔助裝置結(jié)構(gòu)設計和參數(shù)調(diào)試的有限元仿真方法。通過建立45°、60°和90°彎管磁過濾裝置的仿真模型,分析了磁場分布和帶電粒子與大顆粒的傳輸情況,研究了線圈電流(磁場強度)、彎管偏壓、機械擋板孔徑、帶電粒子入射角度等因素對裝置傳輸效率的影響;采用所設計制作的90°彎管磁過濾裝置上進行了四面體非晶碳(tetrahedral amorphous carbon,ta-C)薄膜制備實驗,對仿真結(jié)果進行了驗證,同時研究了線圈電流、擋板孔徑及電弧源電流對薄膜大顆粒分布的影響,以及薄膜的綜合性能,獲得了以下結(jié)論:(1)通過調(diào)整磁過濾裝置的線圈電流可對磁場強度進行有效控制,彎管中帶電粒子的運動遵循拉莫爾旋進,大顆粒則會與裝置內(nèi)壁碰撞而被濾除;(2)靶材離子在彎管中的傳輸效率隨線圈電流的增大而提高,較大的線圈電流使大顆粒數(shù)量增多;彎管偏壓在11~16V時,靶材離子傳輸效率比不加偏壓時提高約75~80%;(3)機械擋板孔徑越大,靶材離子傳輸效率越高,但大顆粒污染嚴重;孔徑越小,傳輸效率相對越低,但大顆粒濾除效果較好;增大電弧源電流,大顆粒數(shù)量和尺寸均呈增大趨勢;(4)實驗結(jié)果證明所用仿真方法具有較好的可行性,可用于各種類型磁過濾裝置的設計與工藝優(yōu)化;(5)在優(yōu)化工藝參數(shù)下制備的ta-C薄膜,其sp~3鍵含量高,達到60%,粗糙度、硬度等綜合性能優(yōu)異,顆粒平均數(shù)量不超過1.35個/μm~2,顆粒平均直徑不超過0.27μm,且工藝穩(wěn)定。
【圖文】：

子體是包含眾多帶電粒子的非束縛態(tài)宏觀體系，庫侖作用力。區(qū)別于通常氣體分子間的短程相互周圍大量粒子共同且相互作用，導致等離子體在為。由于等離子體中帶電粒子的存在，其運動將，在放電過程中正離子和電子成對出現(xiàn)，且彼此準電中性[24]。常包括高溫等離子體和低溫等離子體。此處有別熱核反應要求的溫度，低溫等離子體包含一）下的等離子體[25]。若氣體的電離度在 0.1%以下溫等離子體[26]。真空多弧離子鍍中的等離子體為，除了產(chǎn)生高密度的等離子體，陰極弧斑區(qū)還會粒（Macroparticles, MPs），其尺寸一般為 0.1~圖 1.1 多弧離子鍍膜設備結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1.1 The schematic diagram of multi-arc ion plating

其中磁過濾是目前的有效解決方法。然而這一方法存在傳輸效率低保證大顆粒磁過濾效果的前提下，如何提高其傳輸效率成為了重要顆粒的產(chǎn)生及控制大顆粒的產(chǎn)生及輸運多弧離子鍍制備薄膜的過程中，當電弧引燃后，陰極弧斑上極高的功材由固態(tài)局部相變轉(zhuǎn)化為完全離化的等離子體態(tài)[29]，并在靶面形電弧燃燒，靶材等離子體會攜帶陰極靶面的大量中性粒子團簇隨一這些中性粒子團簇落到正在成膜的基體表面，即造成大顆粒污染[30]于大顆粒產(chǎn)生的機理，有多種解釋，，主要有熱彈性應力造成靶材斷裂生大顆粒。目前普遍接受的機理是[31-33]：熱量在陰極靶面集聚產(chǎn)生熔在等離子體的作用下運動到周圍熔融區(qū)，熔融態(tài)陰極材料在等離子下，形成并噴射出液滴；且多數(shù)液滴的噴射方向與陰極表面之間夾角少數(shù)沿法線方向隨等離子體一同噴射，如圖 2.1 所示。
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG173

【參考文獻】

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本文編號：2630143