多弧离子镀
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P IU / S W/cm2
I为平均放电电流，U为放电电压，S为阴极发射面积。 放电电流正比于膜的沉积速率，在一定沉积速率限定下,放电电流也 是一定的。要降低放电功率密度就只有降低放电电压和扩大阴极发射 面积，但是放电电压一般不能小于3-5倍电离电位，增加阴极发射面 积也必须考虑到结构上是否允许，我们根据此原则确定放电功率密度。
图1 多弧离子镀结构示意图
• 工作原理是：在真空 条件下，金属阴极和 触发电极在10KV脉冲 高压下，触发放电， 在阴极表面形成产生 金属等离子体的阴极 斑点，放电产生的大 量热量使阴极斑点处 金属被局部蒸发，电 离，形成高密度的金 属等离子体。
图2 多弧离子镀示意图
• 在靶面前方附近形成的金属等 离子体，由电子、正离子、液 滴和中性金属蒸气原子所组成。 为了解释这种高度离化的过程， 已经建立了一种稳态的蒸发离 化模型，见图3。该模型认为， 由于阴极弧斑的能流密度非常 大，在阴极的表面上形成微小 熔池，这些微小熔池导致阴极 靶材的剧烈蒸发。电子被阴极 表面的强电场加速，以极高的 速度飞离阴极表面，并且电子 会与中性原子碰撞，并使之离 化，这个区域称为离化区。由 于电子比重离子轻得多，所以 电子飞离离化区的速度要比重 离子高得多，这样在离化区就 出现正的空间电荷云。
图4 阴极电弧产物组成示意图
2 减少液滴的措施
2.1 减少液滴的产生
降低放电功率密度，提高弧斑运动速度，降低高电荷态含量，提 高电离度，以及加强冷却措施等方法可有效地减少液滴的产生。
2.1.1 降低放电功率密度
放电功率密度大小直接影响液滴的产生，降低放电功率密度可
有效地减少液滴的产生。平均放电功率密度 P 为：
图3 阴极靶表面离化区域示意图
• 离化区域的空间电荷，是导致加 速区强电场的主要原因，该电场 一方面使电子加速离开阴极表面， 另一方面也使得离子回归阴极表 面，该回归的离子流可能导致阴 极表面温度在一定程度上的增加。 此外，回归的离子流对熔池表面 的冲击作用可能是液滴喷溅的原 因，按照这种解释，在基片上只 能接收到离子和液滴，而无中性 原子。
图12 不同偏压下TiN膜与基体的结合强度
• 总结
基底偏压的变化影响沉积到薄膜上的离子的能量，进而影 响薄膜的表面形貌和粗糙度、硬度和膜基结合力。
图6 弯曲磁过滤弧离子镀膜沉积原理
图7 不同镀膜方式的TiN与Ti膜的表面形貌
3 多弧离子镀的技术特点
(1)金属阴极蒸发器不融化，可以任意安放使涂层均 匀，基板转动机构简化。
(2)外加磁场可以改善电弧放电，使电弧细碎，旋转 速度加快，细化膜层微粒，对带电粒子产生加速作用。
(3)金属离化率高，有利于涂层的均匀性和提高附着 力，是实现离子镀膜的最佳工艺。
图9 不同偏压下的薄膜表面AFM形貌图 a)0,b)-100,c)-200Βιβλιοθήκη Baidud)-300,e)-500
举例
• 黄美东研究了脉冲偏压电弧离子低温沉积TiN硬质薄膜的 力学性能。
• 实验方法
实验在AIP型电弧离子镀膜系统上进行，偏压电源系统由一台直流恒 压偏压电源和一台直流脉冲偏压电源组成。直流偏压电源可提供01200V的电压，脉冲偏压电源的占空比τ（定义为每个脉冲周期中， 脉冲作用时间与一个脉冲周期的比值）在10%-40%之间连续可调，电 压幅值0-1500V，采用热电偶直接接触法来测量TiN薄膜沉积过程中的 基体温度。基体是尺寸为15mm×10mm×5mm的高速钢，经金相砂纸研 磨后抛光，在丙酮中用超声波清洗10min，用热风快速吹干后放置于 真空沉积室中的试样台上，与弧靶的距离为240mm。薄膜沉积过程中， 两个弧靶（99.99%Ti）电弧电流均为70A，真空室镀膜气压维持在 0.35-0.40Pa，试样随基体平台转动，对基体施加不同的偏压。
多弧离子镀技术
苗志岭
1 基本原理
• 多弧离子镀的基本原理就是把金属蒸发源（靶源）作为阴 极，通过它与阳极壳体之间的弧光放电，使靶材蒸发并离 化，形成空间等离子体，对工件进行沉积镀覆。
• 多弧离子镀的基本组成包括 真空镀膜室、阴极弧源、基 片、负偏压电源、真空系统 等，如图1所示。
• 1-阴极弧源（靶材）；2、3进气口；4-真空系统；5-基 片（试样）；6-偏压电源。
2.1.4 提高放电电离度
对于一定的沉积速率，提高电离度就意味着降低放电功率，也就 是减少阴极熔池深度及熔融金属含量，从而减少液滴发射。在维持一 定的放电电压时，提高真空度，降低残余气体压强可明显地减少残余 气体的碰撞，电荷交换与离子复合等损失，减少发散角以及提高约束 和传输能力也是很有效的方法。
2.1.5 加强阴极冷却措施
举例
• 牛二午研究了基体偏压对沉积ZrN薄膜表面形貌的影响。 表1 薄膜沉积工艺参数
图8 沉积速率随偏压的变化关系
基体偏压直接决定了离子的 能量，在薄膜沉积过程中， 具有一定能量的离子与基体 表面沉积原子产生碰撞，产 生声子、碰撞原子、空位等。 随着离子能量的增加，碰撞原 子可能进入到膜内部，占据晶 格间隙位置和前期产生的空位。 因此在一定程度上提高了薄膜 的致密度。然而随着离子能量 的增加，入射离子的背散射效 果增强。这使得低偏压作用下 薄膜沉积速率缓慢降低。
(4)一弧多用，既是蒸发源，又是加热源，预轰击净 化源和离化源。
(5)设备结构简单，可以拼装，适于镀各种形状的零 件，包括细长杆，如拉刀等。
(6)但会降低零件表面的光洁度。
4 多弧离子镀的应用
自20世纪80年代以来，随着离子镀氮化钛超硬耐磨镀层 工艺逐渐完善和镀膜质量的提高多弧离子镀在冶金、机械 加工、高温防护、装饰材料等众多行业得到广泛的实际应 用。
大颗粒会轻微带电，但是质量和电荷之比与电子和离子相比是很 大的，因此，大颗粒由于它们的惯性所以沿着直的轨迹运动。如果等离 子体(电子和离子)从阴极表面出来后不沿直线引导，大颗粒将与等离子 体分离，如果没有其他问题，通过磁过滤将大颗粒完全去除将可以完成。 但是，还有一些问题会影响大颗粒的去除，这些问题是：大颗粒从壁的 反弹，等离子体在过滤器中的大量失去等。
扩大阴极冷却面积和提高冷却剂流速等措施可明显加强阴极冷却， 从而减少液滴发射。
2.2 提高液滴过滤效果和等离子体传输效率
磁过滤的原则：
在轴向磁场中，电子的运动是沿着磁力线方向螺旋前进的，直到 受到其他粒子的碰撞。如果磁场是弯曲的。正如在一个弯曲的螺线管内 部的磁场，电子会沿着曲率运动。这样的电子可认为是磁化的，相反， 离子通常不被磁化，因为它们的旋转半径比电子要大得多，比过滤器的 特征尺寸也要大。但是，离子也会被迫沿着磁力线方向运动，由于电子 和离子间存在的电场，当离子被电子推出去时电场就会存在。因此，等 离子体宏观上是电中性的，等离子体沿着磁力线方向的输运是磁的(电 子)和电的(离子)复合机制。
金属靶与真空室之间用一 条弯曲的金属管子相连接。 在弯管壁上绕有螺旋线圈， 以便在通电时形成磁力线偏 转的弯曲磁场。
图5 磁过滤器结构示意图
在基底上施加负偏压时， 金属等离子体在弯曲磁的 约束下，沿着磁力线方向 以螺旋轨迹走出弯管飞向 基底并经过形核，生长直 至生成薄膜。而不带电的 液滴或固态的大颗粒不受 磁场约束只作直线运动大 部分都将撞向弯管壁，而 失去动能沉积在弯管壁上 或掉落在真空室中。
2.1.2 提高弧斑的运动速度
提高约束磁场强度和降低残余气体压力，可减少弧斑运动阻力，提 高弧斑运动速度，降低斑在靶材上的停留时间可以减少液滴的产生。
2.1.3 降低高电荷态离子含量
电荷态为Z的高电荷态离子动能是单电荷态离子动能的Z倍，它们传 给阴极液面的能量和作用力就增加了Z倍，所以它们产生液滴的能力比 单电荷态离子增加了Z倍。采取低于第二电离电位的放电电压，就可以 适当地减少高电荷态离子含量，从而减少液滴的产生。
• 实验结果
随直流偏压增大，温升速率越快， 最终稳定温度也越高。在相同的脉 冲偏压下，占空比越大，基体的沉 积温度越高。由图中可以看出脉冲 偏压Up下基体温度明显低于相同幅 值时直流偏压Udc下的温度，表明利 用脉冲偏压可以有效降低镀膜过程中 基体的温度。
图10 直流和脉冲偏压下的基体温度变化
图11 不同偏压下TiN膜的硬度
无偏压时TiN薄膜的硬度较 低。这是由于离子自由沉积 到基体表面，膜的组织结构 比较疏松。加直流偏压后离 子有较强的轰击作用，薄膜 结构致密，显微硬度增大。 当直流偏压在100-500V之间 变化时，薄膜的显微硬度为 2100-2500HV。使用脉冲偏压后， 在不同的偏压和占空比时有所 不同。
在脉冲偏压下沉积的TiN膜 在低幅值及低占空比下， 与基体的结合强度稍低于 直流偏压时的膜基结合力。 当幅值和占空比较大时， 膜基结合强度比直流偏压 时的大。
I为平均放电电流，U为放电电压，S为阴极发射面积。 放电电流正比于膜的沉积速率，在一定沉积速率限定下,放电电流也 是一定的。要降低放电功率密度就只有降低放电电压和扩大阴极发射 面积，但是放电电压一般不能小于3-5倍电离电位，增加阴极发射面 积也必须考虑到结构上是否允许，我们根据此原则确定放电功率密度。
图1 多弧离子镀结构示意图
• 工作原理是：在真空 条件下，金属阴极和 触发电极在10KV脉冲 高压下，触发放电， 在阴极表面形成产生 金属等离子体的阴极 斑点，放电产生的大 量热量使阴极斑点处 金属被局部蒸发，电 离，形成高密度的金 属等离子体。
图2 多弧离子镀示意图
• 在靶面前方附近形成的金属等 离子体，由电子、正离子、液 滴和中性金属蒸气原子所组成。 为了解释这种高度离化的过程， 已经建立了一种稳态的蒸发离 化模型，见图3。该模型认为， 由于阴极弧斑的能流密度非常 大，在阴极的表面上形成微小 熔池，这些微小熔池导致阴极 靶材的剧烈蒸发。电子被阴极 表面的强电场加速，以极高的 速度飞离阴极表面，并且电子 会与中性原子碰撞，并使之离 化，这个区域称为离化区。由 于电子比重离子轻得多，所以 电子飞离离化区的速度要比重 离子高得多，这样在离化区就 出现正的空间电荷云。
图4 阴极电弧产物组成示意图
2 减少液滴的措施
2.1 减少液滴的产生
降低放电功率密度，提高弧斑运动速度，降低高电荷态含量，提 高电离度，以及加强冷却措施等方法可有效地减少液滴的产生。
2.1.1 降低放电功率密度
放电功率密度大小直接影响液滴的产生，降低放电功率密度可
有效地减少液滴的产生。平均放电功率密度 P 为：
图3 阴极靶表面离化区域示意图
• 离化区域的空间电荷，是导致加 速区强电场的主要原因，该电场 一方面使电子加速离开阴极表面， 另一方面也使得离子回归阴极表 面，该回归的离子流可能导致阴 极表面温度在一定程度上的增加。 此外，回归的离子流对熔池表面 的冲击作用可能是液滴喷溅的原 因，按照这种解释，在基片上只 能接收到离子和液滴，而无中性 原子。
图12 不同偏压下TiN膜与基体的结合强度
• 总结
基底偏压的变化影响沉积到薄膜上的离子的能量，进而影 响薄膜的表面形貌和粗糙度、硬度和膜基结合力。
图6 弯曲磁过滤弧离子镀膜沉积原理
图7 不同镀膜方式的TiN与Ti膜的表面形貌
3 多弧离子镀的技术特点
(1)金属阴极蒸发器不融化，可以任意安放使涂层均 匀，基板转动机构简化。
(2)外加磁场可以改善电弧放电，使电弧细碎，旋转 速度加快，细化膜层微粒，对带电粒子产生加速作用。
(3)金属离化率高，有利于涂层的均匀性和提高附着 力，是实现离子镀膜的最佳工艺。
图9 不同偏压下的薄膜表面AFM形貌图 a)0,b)-100,c)-200Βιβλιοθήκη Baidud)-300,e)-500
举例
• 黄美东研究了脉冲偏压电弧离子低温沉积TiN硬质薄膜的 力学性能。
• 实验方法
实验在AIP型电弧离子镀膜系统上进行，偏压电源系统由一台直流恒 压偏压电源和一台直流脉冲偏压电源组成。直流偏压电源可提供01200V的电压，脉冲偏压电源的占空比τ（定义为每个脉冲周期中， 脉冲作用时间与一个脉冲周期的比值）在10%-40%之间连续可调，电 压幅值0-1500V，采用热电偶直接接触法来测量TiN薄膜沉积过程中的 基体温度。基体是尺寸为15mm×10mm×5mm的高速钢，经金相砂纸研 磨后抛光，在丙酮中用超声波清洗10min，用热风快速吹干后放置于 真空沉积室中的试样台上，与弧靶的距离为240mm。薄膜沉积过程中， 两个弧靶（99.99%Ti）电弧电流均为70A，真空室镀膜气压维持在 0.35-0.40Pa，试样随基体平台转动，对基体施加不同的偏压。
多弧离子镀技术
苗志岭
1 基本原理
• 多弧离子镀的基本原理就是把金属蒸发源（靶源）作为阴 极，通过它与阳极壳体之间的弧光放电，使靶材蒸发并离 化，形成空间等离子体，对工件进行沉积镀覆。
• 多弧离子镀的基本组成包括 真空镀膜室、阴极弧源、基 片、负偏压电源、真空系统 等，如图1所示。
• 1-阴极弧源（靶材）；2、3进气口；4-真空系统；5-基 片（试样）；6-偏压电源。
2.1.4 提高放电电离度
对于一定的沉积速率，提高电离度就意味着降低放电功率，也就 是减少阴极熔池深度及熔融金属含量，从而减少液滴发射。在维持一 定的放电电压时，提高真空度，降低残余气体压强可明显地减少残余 气体的碰撞，电荷交换与离子复合等损失，减少发散角以及提高约束 和传输能力也是很有效的方法。
2.1.5 加强阴极冷却措施
举例
• 牛二午研究了基体偏压对沉积ZrN薄膜表面形貌的影响。 表1 薄膜沉积工艺参数
图8 沉积速率随偏压的变化关系
基体偏压直接决定了离子的 能量，在薄膜沉积过程中， 具有一定能量的离子与基体 表面沉积原子产生碰撞，产 生声子、碰撞原子、空位等。 随着离子能量的增加，碰撞原 子可能进入到膜内部，占据晶 格间隙位置和前期产生的空位。 因此在一定程度上提高了薄膜 的致密度。然而随着离子能量 的增加，入射离子的背散射效 果增强。这使得低偏压作用下 薄膜沉积速率缓慢降低。
(4)一弧多用，既是蒸发源，又是加热源，预轰击净 化源和离化源。
(5)设备结构简单，可以拼装，适于镀各种形状的零 件，包括细长杆，如拉刀等。
(6)但会降低零件表面的光洁度。
4 多弧离子镀的应用
自20世纪80年代以来，随着离子镀氮化钛超硬耐磨镀层 工艺逐渐完善和镀膜质量的提高多弧离子镀在冶金、机械 加工、高温防护、装饰材料等众多行业得到广泛的实际应 用。
大颗粒会轻微带电，但是质量和电荷之比与电子和离子相比是很 大的，因此，大颗粒由于它们的惯性所以沿着直的轨迹运动。如果等离 子体(电子和离子)从阴极表面出来后不沿直线引导，大颗粒将与等离子 体分离，如果没有其他问题，通过磁过滤将大颗粒完全去除将可以完成。 但是，还有一些问题会影响大颗粒的去除，这些问题是：大颗粒从壁的 反弹，等离子体在过滤器中的大量失去等。
扩大阴极冷却面积和提高冷却剂流速等措施可明显加强阴极冷却， 从而减少液滴发射。
2.2 提高液滴过滤效果和等离子体传输效率
磁过滤的原则：
在轴向磁场中，电子的运动是沿着磁力线方向螺旋前进的，直到 受到其他粒子的碰撞。如果磁场是弯曲的。正如在一个弯曲的螺线管内 部的磁场，电子会沿着曲率运动。这样的电子可认为是磁化的，相反， 离子通常不被磁化，因为它们的旋转半径比电子要大得多，比过滤器的 特征尺寸也要大。但是，离子也会被迫沿着磁力线方向运动，由于电子 和离子间存在的电场，当离子被电子推出去时电场就会存在。因此，等 离子体宏观上是电中性的，等离子体沿着磁力线方向的输运是磁的(电 子)和电的(离子)复合机制。
金属靶与真空室之间用一 条弯曲的金属管子相连接。 在弯管壁上绕有螺旋线圈， 以便在通电时形成磁力线偏 转的弯曲磁场。
图5 磁过滤器结构示意图
在基底上施加负偏压时， 金属等离子体在弯曲磁的 约束下，沿着磁力线方向 以螺旋轨迹走出弯管飞向 基底并经过形核，生长直 至生成薄膜。而不带电的 液滴或固态的大颗粒不受 磁场约束只作直线运动大 部分都将撞向弯管壁，而 失去动能沉积在弯管壁上 或掉落在真空室中。
2.1.2 提高弧斑的运动速度
提高约束磁场强度和降低残余气体压力，可减少弧斑运动阻力，提 高弧斑运动速度，降低斑在靶材上的停留时间可以减少液滴的产生。
2.1.3 降低高电荷态离子含量
电荷态为Z的高电荷态离子动能是单电荷态离子动能的Z倍，它们传 给阴极液面的能量和作用力就增加了Z倍，所以它们产生液滴的能力比 单电荷态离子增加了Z倍。采取低于第二电离电位的放电电压，就可以 适当地减少高电荷态离子含量，从而减少液滴的产生。
• 实验结果
随直流偏压增大，温升速率越快， 最终稳定温度也越高。在相同的脉 冲偏压下，占空比越大，基体的沉 积温度越高。由图中可以看出脉冲 偏压Up下基体温度明显低于相同幅 值时直流偏压Udc下的温度，表明利 用脉冲偏压可以有效降低镀膜过程中 基体的温度。
图10 直流和脉冲偏压下的基体温度变化
图11 不同偏压下TiN膜的硬度
无偏压时TiN薄膜的硬度较 低。这是由于离子自由沉积 到基体表面，膜的组织结构 比较疏松。加直流偏压后离 子有较强的轰击作用，薄膜 结构致密，显微硬度增大。 当直流偏压在100-500V之间 变化时，薄膜的显微硬度为 2100-2500HV。使用脉冲偏压后， 在不同的偏压和占空比时有所 不同。
在脉冲偏压下沉积的TiN膜 在低幅值及低占空比下， 与基体的结合强度稍低于 直流偏压时的膜基结合力。 当幅值和占空比较大时， 膜基结合强度比直流偏压 时的大。