摩擦学表面工程.pptx

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1、真空电弧离子镀王现英2011.3.8真空电弧离子镀是采用阴极电弧蒸发源的一种离子镀技术，其应用面广，实用性强。阴极靶可以安装在镀膜室壁的任一面上，靶的形状可以根据需要调整。真空电弧离子镀膜层的均匀性得以充分保证，而不受沉积速率的影响。1.引言基本组成图1多弧离子镀结构示意图真空电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-偏压电源真空电弧离子镀的基本原理：阴极是在低气压下的电弧放电阴极源，阴极靶材在与阳极短路时引发电弧形

2、成真空电弧放电，在靶表面形成高速无规则运动的电弧斑点，使靶材直接由固态蒸发并离化产生高能粒子，这些粒子在工件偏压的作用下沉积在工件表面形成所需的涂层，当真空室内通入反应气体则可生成化合物膜。2.基本原理阴极弧源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。微小弧斑在阴极靶面迅速徘徊。弧斑的电流密度很大，达到105-107A／cm2，电压为20V左右。由于微弧能量密度非常大，弧斑发射金属蒸气流的速度可以达到108m／s。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

3、靶面的均匀烧蚀，延长靶的使用寿命。磁场对阴极弧斑运动的制约作用如图2所示。图2磁场对阴极弧斑运动的制约作用示意图不加磁场磁场过小磁场过大磁场适中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，如图3所示。由于金属蒸气原子仅占很小部分(低于2％)，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。图3阴极电弧产物组成示意图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。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

4、，电子与中性原子碰撞，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，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。技术特点：金属阴极蒸发器不融化，可以任意

5、安放使涂层均匀，基板转动机构简化。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。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，包括细长杆，如拉刀等。但会降低零件表面的光洁度。3.真空电弧离子镀的技术特点存在的问题：液滴的污染严重降低薄膜的性能，严重限制其发展和应用范围阴极斑点跑偏诱发放电过程的不稳定，导致杂质气体的产生负偏压放电引起膜层损坏真空电弧离子镀中液滴发射现象

6、是普遍存在的，其尺寸和数量受弧斑的尺寸及运动等多种因素的影响。液滴的尺寸通常为微米量级，有时可达到几十微米。由于液滴是熔融的阴极材料熔滴，其化学组成与阴极靶材是相同的。对于单组分阴极材料，液滴的数量以及尺寸一般随靶材熔点的增高而减少；对于多元合金阴极材料，情况要复杂得多。图5不同镀膜方式的TiN与Ti膜的表面形貌TiN膜层缺陷-液滴4.1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。1）降低高电荷态离子含量高电荷态离子动能比单电荷态离子动能高，它们传给阴极液

7、面的能量和作用力大，所以它们产生液滴的能力比单电荷态离子大。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。4.减少液滴的措施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。3)加强阴极冷却措施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4)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。5)提高放电电离度在维持一定的放电电压时，提高真

8、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。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