阴极电弧蒸发源放电机理的研究

摘要

真空镀膜工艺是一种物理方法，真空镀的工艺过程不产生电镀废水，能够实现清洁生产，应用前景广阔。阴极电弧蒸发镀膜技术属于真空镀膜中离子镀膜的一种改进方法，是20世纪70年代开始研究的一种新的物理气相沉积工艺是离子镀技术中的皎皎者，具有高离化率、易于进行反应镀、散射性好、膜层致密以及附着力强等优点，在刀具、模具、小五金以及装饰品等镀制耐磨、耐热及耐蚀薄膜的行业应用广泛。
　　对于阴极电弧蒸发源放电机理的研究，首先要分析放电过程中等离子体的属性，特别是靶面等离子体的分布和参数，但是直流放电击穿时间极短，对于放电过程中等离子体，其电子能量不足纳秒，电子的输运为纳秒级，离子输运为微秒级等问题，使得对于等离子体的研究与模拟过程极具复杂性。
　　本课题基于中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司所设计应用的多弧离子镀膜设备进行模拟与实验研究，利用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics中的等离子体模块下的直流放电模块以及添加外部电路模块，对阴极电弧离子镀膜直流放电过程进行了模拟，获得了与实践相符合的放电参数及等离子体参数;利用COMSOL Multiphysics软件中的磁场无电流模块对弧源系统中的磁场组件所产生磁场的属性进行模拟，并在此基础上进一步模拟了相同几何尺寸的磁环组件所产生磁场的属性，得出使用磁环组件可达到降低充磁强度，节约能源的目的;利用COMSOL Multiphysics软件中的粒子追踪模块对均匀磁场中带电粒子的运动轨迹进行模拟，所得到的拉莫尔回旋半径与理论计算值之间的误差控制在0.1％之内;最后，结合实验结果分析附加磁场对放电过程中弧斑运动的影响，发现并不是使得靶面磁场越强弧斑运动效果越好，而应当根据实验观察，使得靶面磁场强度适中，从而使弧斑细碎以减少液滴的反射，并且可以使弧斑在靶面收缩运动使靶材刻蚀均匀。
　　为深入研究弧光放电过程与附加磁场的关系，同时采用磁过滤多弧离子镀系统进行实验研究。通过改变磁场组件与阴极靶面间的距离，调节靶面磁场强度与分布，以靶面横向磁通密度为表征，得到不同磁场强度与分布情况下的弧斑运动轨迹效果图，通过分析实验结果，发现弧斑内带电粒子所受回旋力的作用使得电荷在靶面做旋转运动，稳弧作用力的作用将电荷束缚在相对确定的位置，径向推力使得能够控制弧斑在靶面移动，使得靶面刻蚀均匀;轴对称磁场兼具横向磁场与锐角法则的双重优势，可以使得弧斑在靶面旋转运动，促进弧斑分裂，减少液滴发射从而提高薄膜质量，但是长时间在较高磁场环境中工作会造成靶材刻蚀不均的后果，降低了靶材的利用率，为改善靶材刻蚀不均匀的情况可以在实验过程中，及时地观察靶面弧斑运动情况，调节靶面磁场强度，从而获得良好的靶材刻蚀结果与镀膜效果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 阴极电弧蒸发镀研究发展概况

1．2．1 国内研究发展概况

1．2．2 国外研究现状及发展动态

1．3 阴极电弧蒸发镀技术应用概况

1．4 课题研究目的与内容

第2章 等离子体与模拟软件介绍

2．1 等离子体介绍

2．1．1 等离子体定义

2．1．2 等离子体分类

2．1．3 等离子体技术发展史

2．1．4 等离子体应用

2．1．5 COMSOL Multiphysics等离子体模拟分析

2．2 模拟软件COMSOL Multiphysics

2．2．1 COMSOL Multiphysics软件的显著特点

2．2．2 COMSOL Multiphysics软件提供多种可供选择的模块

2．2．3 COMSOL Multiphysics软件的外部整合接口与多种操作平台

2．3 本章小结

第3章 弧光放电过程模拟分析

3．1 放电模拟的理论基础

3．1．1 等离子体化学

3．1．2 域方程

3．2 弧光放电

3．2．1 弧光放电机理

3．3 弧光放电模拟结果与分析

3．3．1 单个弧斑尖角弧光放电模拟结果

3．3．2 环形弧斑尖角弧光放电模拟结果

3．4 本章小结

第4章 附加磁场的模拟分析

4．1 单个磁钢磁场模拟

4．2 磁场组件磁场模拟

4．3 磁柱磁场与磁环磁场的对比研究

4．4 本章小结

第5章 附加磁场对放电过程的影响

5．1 带电粒子在磁场中的运动

5．2 组件磁场对弧斑力的作用分析

5．2．1 固定位置组件磁场对弧斑的作用分析

5．2．2 不同位置组件磁场对弧斑的作用分析

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢