关键词：
脉冲阴极弧
脉冲成形网络
触发电路
可编程控制器
镀膜
摘要：
本文主要阐述了脉冲阴极弧放电装置的设计与搭建,以及使用此装置实现真空弧放电及薄膜制备的过程。并试图通过对制备薄膜的观察与分析,来考察所设计装置的放电机制、真空弧和成膜之间的内在关系。
本文从阴极电弧的发展与机理、电弧离子镀技术的现状说起,着重阐述了高压脉冲大电流电源的设计方案、三种触发脉冲阴极弧放电的方法和对不同电压、气压和电极间距条件下制备薄膜的形态分析。
高压脉冲大电流电源由直流电源、脉冲成形网络、大电流开关和等离子负载等组成。本文对脉冲成形网络做了重点阐述和分析,脉冲成形网络需要一组或几组电容电感组成,我们分别对电容电感值的计算和选择做了说明。并且用数值模拟方法对三阶和十阶脉冲成形网络进行了模拟。在试验中选用了适当的电容电感值,产生了脉宽为500μs的脉冲,与模拟结果基本相符。另外,还设计了脉冲触发时序控制电路,用PLC来控制晶闸管作为脉冲开关,以实现脉冲放电,因为PLC只能实现脉宽为毫秒级的方波脉冲,为了实现所需脉宽为100μs的脉冲,设计了一个微分电路,用来产生窄脉冲去控制晶闸管的导通与关断。通过整机调试,整个高压脉冲大电流电源运行良好。
为了实现对真空弧放电的触发,本文设想了三种触发放电装置进行试验。一种是辉光放电装置,此装置由可调变压器、隔离变压器、整流桥和滤波电路组成,输出电压最高可达300V。在几帕到几十帕的范围内,先产生一定的辉光等离子体,然后利用脉冲阴极弧放电装置进行弧光放电；另一种是高压点火触发装置,通过本装置,触发电压可升至5-15KV,实验证实,它比前一种方式更容易引发电弧；再一种是大功率脉冲触发电源电路,本文对整个设计思路及其参数计算,做了详细说明,包括三相全控桥式整流电路、晶闸管触发电路和脉冲成形网络的计算分析工作,此触发装置的脉冲成形网络为低阶的,可以得到窄脉冲。当电容电感取不同值时,最窄为可输出脉宽为1μs的脉冲,此时系统可以作为真空触发装置；当脉宽为10μs时,这个系统可以作为等离子体源离子注入负高压源,此电源具有较广泛的应用领域。最后,我们用碳棒作为阴极,带有基片的金属平台作为阳极,在真空室中进行了脉冲放电试验。
我们利用高压脉冲大电流电源在真空室中进行了弧光放电,测得了当充电电压为200V和220V时的放电电压和放电电流,当充电电压为200V时,两极电压为78V,电流为562.5A,当充电电压为220V时,两极电压为80V,电流为750A,从中可以看出,弧光放电电流非常大。首先,根据阴极主弧位置的不同,在玻片上制备了C膜。通过测量薄膜的厚度,对沉积速率做了分析。从中可以知道,由于高压脉冲大电流电源放电电流相当大,相应的沉积速率也非常高。其次,在相同条件下,分别在玻片和硅片上进行镀膜,通过SEM观察其形貌,从SEM图中可以看出,在硅片上生长的薄膜结晶性要比玻片上好,这主要是因为硅片的表面取向性好于玻片。最后,在充电电压分别为180V、220V；真空室压强分别为16Pa、25Pa；电极间距分别为5cm、10cm的条件下,制备了薄膜并对薄膜进行了SEM观察和XRD分析。通过样品分析可以知道,随着放电电压、气压和电极间距的不同,所制备的薄膜有一定的差异性,当我们选取适当的放电电压、气压和电极间距的时候,可以制备出表面比较均匀、结晶性能比较好的薄膜。
目前,整个装置已经搭建完成,并且进行了放电试验和薄膜制备,得到了表面比较均匀、结晶性能比较好的薄膜。结果表明,本装置满足设计要求。
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