活性屏等离子工艺双重辉光放电机理及偏压鞘层特性的研究

Active screen plasma nitriding (ASPN)is a new surface modification technology developing on the basis of traditional direct current plasma nitriding(DCPN).It can overcome many process problems existing in the DCPN.There are two sets of direct powers in the ASPN,which are the main power and the bias power.The main power was connected with active screen and the bias power was connected with the samples.A special pattern of double glow discharge was formed in ASPN,which is different from other tradition double glow diacharge technologies.It was showed that the pattern is the key to overcome the all kinds of process problems in DCPN.There are few reserches and porters related to this special double glow discharge.Many experiments and theory analysis was to be carried out in our project in order to make clear the regularity of bias power under the different condition of the mian glow discharge.In our project the influence between the glow discharge by main bias and by the bias was compared.And the characteristics of the plasma sheath formed by the bias were explored in order to establish the model and theory about this plasma sheath.It is very important for ASPN technology that all kinds of particles collide with each other and transport in the bias plasma sheath.The influence of this special discharge pattern and the plasma sheath on ASPN technology was analysed.By our project,it can make further efforts to study the mechanism of the ASPN technology.It can be helpful to make optimal process parameters.And It also can be used to provide reference to all kinds of technologies based on low temperature plasma .

活性屏等离子表面改性新技术（ASPN）中有两套直流电源：主放电电源（接在活性屏上）和负偏压电源（接在工件上），形成一种特殊的双重辉光放电模式，研究认为该放电模式是ASPN能够解决传统DCPN技术存在的各种工艺问题的关键，目前国内外对此放电模式的研究报道较少，本项目拟通过对这种特殊辉光放电模式做深入的理论和实验研究，搞清楚在ASPN中不同主辉光放电条件下（电压、气压、离笼子不同的距离等），偏压放电的规律、双重辉光放电之间的相互影响，偏压的"阈值"等，进而分析双层辉光放电的放电机理。研究还认为偏压电源会在工件表面形成一个等离子鞘层，等离子空间中的各种粒子在此鞘层中的碰撞、输运等行为对ASPN至关重要。拟通过建立相应鞘层模型，探究粒子在该鞘层中的动力学行为及输运特性规律，为ASPN提供最佳工艺参数，进而探讨ASPN工艺的机理，对以低温等离子技术为基础的表面改性、合成薄膜、刻蚀等工艺提供重要参考。

本项目研究中所采用的活性屏离子渗氮技术（Active Screen Plasma Nitriding，简称ASPN）是低温等离子化学热处理的最新发展动向，具有处理质量高、处理速度快、成本低、无污染、易推广等优点，是一项新兴的“绿色热处理技术”。活性屏等离子表面改性新技术（ASPN）中有两套直流电源：主放电电源（接在活性屏上）和负偏压电源（接在工件上），形成一种特殊的双重辉光放电模式，该放电模式是ASPN能够解决传统DCPN技术存在的各种工艺问题的关键，本项目通过对这种特殊辉光放电模式做深入的理论和实验研究，搞清楚了在ASPN中不同主辉光放电条件下（电压、气压、离笼子不同的距离等），偏压放电的规律、双重辉光放电之间的相互影响，并通过理论计算和实验研究的方法找到ASPN工艺中偏压的“阈值”，研究了偏压阈值对渗氮的影响，分析了双层辉光放电的放电机理。另外，在本研究中还发现ASPN工艺中施加在工件上的负偏压会使工件表面形成一个等离子鞘层，会吸引大量离子以玻姆速度从等离子体内部进入偏压鞘层，当其被鞘层电场加速后，将以数百电子伏的能量级打到工件上，从而可实现材料表面改性过程。本项目基于此研究双层辉光放电模式下形成的偏压鞘层，探讨等了离子空间中的各种粒子在鞘层中的动力学行为及其对ASPN工艺的影响，定量分析等离子体参量的时空分布和输运特性的规律，为ASPN提供最佳的工艺参数，对以低温等离子体技术为基础的材料表面改性、合成薄膜及刻蚀等工艺过程的研究都具有重要的参考和研究价值。采用大尺寸铜质活性屏进行活性屏等离子渗氮处理，在距离活性屏不同位置处分别放置玻璃片，用来收集主电压和偏压同时存在时，即等离子空间处于双重辉光放电模式下阴极溅射产生的在渗氮过程中起到载体作用的纳米粒子。通过对粒子形貌、化学成分进行分析，以此揭示双重辉光放电条件下活性屏离子氮化工艺中氮的输运机理。实验结果表明：主电压和偏压同时存在主电压和偏压同时存在时，离活性屏距离不同的玻璃片上收集到的粒子形状和尺寸与只加主电压时有所不同；且随着离活性屏距离的改变，粒子的形状、尺寸及化学元素含量都不相同，但粒子中氮元素的含量都很高。分析认为这是因为双重辉光放电条件下，收集到的溅射粒子的来源不同，一部分来源于活性屏溅射，而另一部分来源于偏压引起工件表面产生的自溅射，施加在工作台上上的偏压是活性氮原子输运到工件表面的关键。