真空鍍膜設(shè)備真空鍍膜機(jī)圓柱靶的設(shè)計(jì)
本真空鍍膜機(jī)在以前工作的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了新結(jié)構(gòu)的圓柱陰極靶。多弧圓柱靶與磁控濺射靶材水平分置基材上下側(cè)共同放電，基材表面在沉積了多弧離子鍍大顆粒的同時也沉積了磁控濺射的小顆粒，一方面利用了多弧離子鍍的高離化率及離子鍍良好的基膜界面層結(jié)合力，另一方面利用了磁控濺射沉積薄膜的致密性，形成了一種混凝土式的共混結(jié)構(gòu)，達(dá)到耐磨、耐腐蝕的目的。圖4 所示的圓柱靶機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖，采用高磁場強(qiáng)度的釹鐵硼磁鐵，并用磁流體密封代替?zhèn)鹘y(tǒng)橡膠密封，從而克服轉(zhuǎn)動部分漏水漏氣的缺點(diǎn)。
通常在磁控靶的設(shè)計(jì)中大多采用實(shí)物靶實(shí)驗(yàn)的方法改進(jìn)磁控靶的性能，多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)從而確定磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度和物理結(jié)構(gòu)。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)模擬軟件的應(yīng)用和普及，目前越來越多的工程設(shè)計(jì)采用了預(yù)先的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析技術(shù)，然后根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，大大簡化了設(shè)計(jì)的研制周期，降低了研發(fā)成本。本研究采用有限元分析軟件ANSYS 模擬磁場的分布情況，確定了最佳的磁極分布、磁極尺寸和物理結(jié)構(gòu)。目前國際市場的稀土材料大漲造成強(qiáng)磁的釹鐵硼磁鐵價格也隨之大幅度增加，為了降低磁控陰極的生產(chǎn)成本我們又進(jìn)行了鐵氧體磁體的數(shù)值模擬，通過改變磁鐵同靶材的距離增強(qiáng)靶表面磁感應(yīng)強(qiáng)度。
有限元數(shù)值模擬圓柱磁控濺射靶磁感應(yīng)強(qiáng)度的結(jié)果。磁鐵尺寸為11mm×11mm×30 mm，磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度1200 Gs，設(shè)計(jì)的靶表面最大垂直方向磁感應(yīng)強(qiáng)度為240 Gs。圖6 是有限元數(shù)值模擬圓柱多弧靶磁感應(yīng)強(qiáng)度的結(jié)果，多弧靶的設(shè)計(jì)中由于要求的靶表面磁場強(qiáng)度不能太高，我們采用了單磁鐵結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的靶表面最大垂直方向磁感應(yīng)強(qiáng)度為110 Gs，磁鐵尺寸11mm×11mm×30 mm，磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度1200 Gs。本研究中我們還對磁場數(shù)值模擬的結(jié)果同實(shí)際靶的磁場強(qiáng)度分布進(jìn)行了比對研究。驗(yàn)證試驗(yàn)采用SHT- V 型特斯拉計(jì)測量了靶表面水平和垂直方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面模擬磁感應(yīng)強(qiáng)度同實(shí)際測量結(jié)果有較好的一致性，有關(guān)結(jié)果將另行成文進(jìn)行描述。根據(jù)數(shù)值分析的結(jié)果設(shè)計(jì)的兩種靶放電情況良好，靶材利用率可達(dá)85%。
輝光弧光共放電的物理特性的研究
是APSCD 輝光弧光協(xié)同共放電的結(jié)構(gòu)原理示意圖，多弧圓柱靶與磁控濺射靶分置基材上下側(cè)協(xié)同共同放電，輝光弧光等離子體互相增強(qiáng)，基材表面在沉積了多弧離子鍍大顆粒的同時也沉積了磁控濺射的小顆粒，形成了一種混凝土式的膜層同鍍的共混結(jié)構(gòu)膜層。磁控濺射利用的是氣體放電中的異常輝光放電，利用磁場束縛電子，增大電子密度，提高等離子體的密度，其陰極位降很大，且位降區(qū)的寬度減小。
磁控濺射中一般陰極電壓為幾百伏特, 電流密度<1 mA/cm2，多弧離子鍍利用的是弧光放電，電弧放電產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射，放電區(qū)中溫度最高點(diǎn)幾千K，電弧放電其特點(diǎn)是電流密度極大而極間電壓低，其自持依賴于新的電子發(fā)射機(jī)制，其電壓一般僅為10 V- 20 V，電流則高達(dá)150 A。由于輝光弧光放電的機(jī)制不同，在輝光弧光共放電共沉積過程中要分析二者不同的等離子密度增強(qiáng)機(jī)制, 研究磁場對置結(jié)構(gòu)下弧斑軌跡的運(yùn)動的變化規(guī)律, 研究弧光放電高強(qiáng)度輻射造成的荷能電子碰撞電離增強(qiáng)特性。
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