离子镀膜技术概述.docx

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镀膜技术
一、多弧离子镀
多弧离子镀技术是采用阴极蒸发源的一种离子镀技术。阴极电弧蒸发源可以是Ti、Al、Zr、Cr等单相靶材也可以是由它们组成的多相靶材。多弧离子镀应用面广，实用性强，除了具有其他各种离子镀方法的广泛用途之外，特别是在高速钢刀具镀覆TiN涂层的应用方面发展的最为迅速，并进入了工业化阶段。
1.1多弧离子镀的基本结构与沉积原理
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1.1所示。阴极弧源是多弧离子镀的核心，它所产生的金属等离子体自动维持阴极和镀膜室之间的弧光放电。多弧离子镀的工件原理主要是基于冷阴极真空弧光放电理论，按照这种理论，电量的迁移主要借助于场电子发射和正离子电流，这两种机制同时存在,而且互相制约。在放电过程中,阴极材料大量蒸发产生等离子体,这些等离子体所产生的正离子在阴极表面附近很短的距离内产生极强的电场,约为108V/cm2。在这种强电场作用下,电子能直接从金属的费米能级逸出到真空,产生所谓“场电子发射”，发射电流可达到5×107A/cm2，从而产生新的等离子体。上述过程的进行维持电弧持续工作。一般阴极靶本身既是蒸发源又是离化源。外加磁场可以改变阴极弧斑在阴极靶面的移动速度，并使弧斑均匀、细化，以达到阴极靶面的均匀烧蚀，延长靶的使用寿命。

图1.1多弧离子镀结构示意图
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
在靶面前方附近形成的金属等离子体，由电子、正离子、液滴和中性金属蒸汽原子所组成，如图1.2所示。由于金属蒸汽原子仅占很小一部分，因而在基片上沉积的粒子束流中几乎全部由离子和液滴组成。对于单一元素金属靶而言，离子比例大约在30%—100%范围内，这些离子具有较高的动能（10—100eV）并且常以多价态存在。

图1.2阴极电弧产物示意图
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，如图1.3所示。该模型认为，由于阴极弧斑的能流密度非常大，在阴极的表面形成微小熔池，这些微小熔池导致阴极靶材的剧烈蒸发。热发射和场致发射共同导致电子发射，而且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，在大约一个均匀自由程之后，电子与中性原子碰撞，并使之离化，这个区域称为离化区。在这一区域内将形成高密度的热等离子体。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1.3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，这可以与一杯水在表面受到冲击时产生的喷溅现象相类比。按照这种解释，在阴极表面附近只有离子和液滴向外空间发射，即在基片上只能接收到离子和液滴，而无中性原子。
1.2多弧离子镀的技术特点
多弧离子镀具有以下特点：
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。
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。
一弧多用，既是蒸发源，又是加热源、预轰击净化源和离化源。
设备结构简单，可以拼装，适于镀各种形状的零件。
可以外加磁场改善电弧放电，使电弧细碎，细化膜层微粒，对带电粒子产生加速作用。
会降低零件表面光洁度。
在化学气相沉积和蒸镀以及溅射镀中，必须在基片保持高温的条件下，才有可能获得良好的膜层组织，对于多弧离子镀，离子对基片轰击的效果相当于对基片加热，基片温度就取决于离子能量和离子流密度，即阴极弧斑所发射的等离子体重的离子直接关系到膜层的组织。而离子到达基片的能量主要由基板负偏压供给；通过对弧源电流的调整来改变离子流密度。如果需要考虑基片的温度限制，完全可以通过沉积工艺过程的调整，在保证膜层质量的同时，又不超过温度限制。同样，由于等离子体中离子的较高能量，易于使已沉积的松散粒子被溅射下来，从而造成膜层的高致密度。
多弧离子镀膜层与集体的结合牢固，是高能离子的又一贡献。高能粒子导致膜层与基片之间以原子键结合，并于界面处建立一互扩散层，同时还能减少或消除膜层与基体界面之间的孔隙缺陷，因此使膜层具有良好的致密性和附着性。当然，离子的能量主要依赖于基片负偏压，在镀前轰击清洗基片表面时，尤其需要较高的负偏压。
对于反应物膜层的沉积，在多弧离子镀中主要影响反应效果的因素是等离子体的离化程度和离子处于各种价态上的几率，由于充分电离的金属等离子体具有很大的活性，因此促使化学反应容易发生。此外，当反应气体进入镀膜室后，阴极辉点和电弧离子体的作用都能促使它们部分电离，有