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(shí)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(dòng)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(jià)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(shí)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(dòng)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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