含碳气体超高电流脉冲碳弧增强辉光放电及DLC薄膜高速沉积研究

The Hauzer company has deposited the DLC films using middle-frequency discharge with a lower rate and the discharge is also related to the workpiece. The microwave discharge may lead to a higher deposition rate, however the technology is featured by higher cost and complexity of hardware. Is it possible to invent a new technology with lower cost,higher deposition rate and the discharge slightly related to the workpiece? We learn from the arc enhanced glow discharge (shortly AEGD, the blocked cathodic arc gives the electrons, which ionize the gas species during their flight to the anode). We propose a novel arc enhanced glow discharge technology based on hot anode, carbon cathode and pulsed current mode. These will suppress the disappear of anode owing to the “poison effect”, eliminate the contamination of metal ion due to the utilization of metal target and produce the high-density plasma produced by pulsed glow discharge. The pure plasmas with high density may be achieved and high-reate deposition of DLC films is expected. The project includes the following contents: development of pulsed power supply and AEGD system, the investigation of mechanism and law of arc enhanced glow discharge , deposition and analysis of DLC fims based on the AEGD. We hope to understand well the mechanism and law of arc enhanced glow discharge and invent a novel technology to deposit DLC films with lower cost, simple hardware and high deposition rate.

针对目前国际主流PVD公司（Hauzer等）采用中频PECVD制备含氢DLC沉积速率慢、放电依赖工件，而微波放电沉积速率快，但硬件成本高、结构复杂等问题，我们设想：能否有一种成本低廉、沉积速率高，又不依赖工件放电的DLC制备方法呢？本项目借鉴电弧增强放电方法（利用遮挡电弧逃逸的电子去激发高密度等离子体，即AEGD），提出了一种基于热阳极、碳阴极靶、高脉冲电流电弧增强辉光放电的新方法，分别解决了含碳气体环境放电“阳极消失”、金属弧靶放电膜层污染以及高密度等离子体产生的问题，进而获得高密度、纯净等离子体，以实现含氢DLC膜层高速高质量沉积。因此本课题的研究内容包括：脉冲放电电源以及AEGD放电系统的研制、电弧增强辉光放电机制和规律、基于AEGD放电的DLC沉积及结构研究，期望对电弧诱导的辉光放电机制和规律进行更深的研究和理解，同时获得一种成本低廉、硬件简单的高速高质量DLC膜层沉积方法。

针对目前国际主流PVD公司（Hauzer等）采用中频PECVD制备含氢DLC沉积速率慢、放电依赖工件，而微波放电沉积速率快，但硬件成本高、结构复杂等问题。本项目借鉴电弧增强放电方法（利用遮挡电弧逃逸的电子去激发高密度等离子体，即AEGD），提出了一种基于热阳极、碳阴极靶、高脉冲电流电弧增强辉光放电的新方法。分别解决了含碳气体环境放电“阳极消失”、金属弧靶放电膜层污染以及高密度等离子体产生的问题，进而获得高密度、纯净等离子体，实现含氢DLC膜层高速高质量沉积。.本课题的研究内容包括：脉冲放电电源以及AEGD放电系统的研制、电弧增强辉光放电机制和规律、基于AEGD放电的DLC沉积及结构研究，对电弧诱导的辉光放电机制和规律进行更深的研究和理解，同时获得一种成本低廉、硬件简单的高速高质量DLC膜层沉积方法。.石墨属于电负性材料，即随着石墨表面温度的增加，石墨自身的电阻减小。得益于非水冷阳极的设计，保证连续工艺过程中阳极表面始终处在合适温度状态，成功解决了“阳极消失”的问题。基于高脉冲电流（1000 A）以及AEGD放电系统设计，实现高等离子体密度沉积，沉积速率可达2.9 µm/h。.与Cr阴极弧诱导辉光放电制备的DLC薄膜相比，石墨作为阴极材料制备的DLC薄膜成分更为纯净。随着脉冲电流的增加，C-DLC薄膜的硬度、弹性模量、H/E*和H3/E*2在脉冲电流为700 A时得到最大值。同时，脉冲电流为700 A制备的C-DLC薄膜表现出最优的摩擦性能，同时具有优异的耐腐蚀性能。制备的Cr-DLC的硬度、摩擦学性能、耐腐蚀性能均低于同等条件下制备的C-DLC。.研究结果表明：通过我们提出的热阳极、碳阴极靶、高脉冲电流电弧增强辉光放电的新方法，可以获得更高的等离子体密度、结构更简单、维护更方便以及造价更低廉的工业沉积DLC膜层的方法。