离子镀膜技术概述

图 1.7 受控电弧蒸发源
6
1—线圈 2—冷却水 3—点弧源 4—钛阴极 5、6—导磁环 7—磁轭
图 1.4 为阴极自然冷却，用电启动器进行引弧的电弧发源示意图。弧光蒸发 源由圆锥状阳极、圆板状阴极组成。采用 200A、30V 的直流电源。引弧电极设 在阴极附近，通过绝缘材料，利用与阴极间的火花进行引弧。图 1.5 为阴极强制 冷却的电弧蒸发源。 圆板状阴极从背后用水等强制冷却，绝缘材料将圆锥状阳极 与阴极隔开。 在弧光蒸发源周围防止磁场线圈，引弧电极安装在有回转轴的永久 磁铁上。磁场线圈中无电流时，由于作用于永久磁铁的磁力使轴回转，引弧电极 从阴极离开。通过此电极与阴极接触和分离时的火花实现引弧。图 1.6 是离子枪 型多弧离子镀蒸发源，其特点是蒸发源可移动，阴极面积小，离子束以很窄面积 发射出来。因阴极小，在厚度方向消耗快，所以把阴极制成圆柱状可从后慢慢推 出连续使用。图 1.7 为采用外加横向磁场以提高弧斑在阴极表面上的于东速度的 受控电弧蒸发源。阴极直接水冷，采用电磁线圈以便调节磁场强度。 1.3.1.2 国内早期设备 从 1985 年开始我国几家刀具生产厂先后从美国引进了多台多弧离子镀膜机， 在此基础上， 国内掀起了多弧离子镀膜设备研究开发的热潮，很多科研院所和生 产厂家纷纷研制国产设备， 对国外的设备进行了消化和吸收，并逐步形成了自己 的技术。
图 1.4 阴极自然冷却电弧光蒸发源示意图 1—真空室 2—基板 3—阳极 4—火花间隙 5—阴极 6—绝缘 7—引弧电源 8—DC 电源
5
图 1.5 阴极强制冷却的电弧光蒸发源示意图 1—直流电源 2—磁场线圈 3—绝缘体 4—阳极 5—阴极 6—引弧电源 7—复位弹簧 8—冷却水
图 1.6 离子枪型多弧离子镀蒸发源 1—气体 2—屏蔽 3—阳极 4—阴极 5—气体喷嘴 6—水套
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
2
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。
7
流在工件负压的作用下加速到达工件表面， 与反应气体离子化合并沉积形成涂层。 该设备金属离化率较高，操作简便，蒸发源没有固定熔池，阴极电弧源可以任意 安放，镀膜均匀区大，对工件转架要求低，得到广泛使用。
1.3.2 国外设备进展
1.3.2.1 阴极电弧斑点的控制 在真空电弧技术中， 弧源的性能无疑是决定真空电弧沉积设备整体性能的关 键。设法稳定放电过程，实现对电弧的稳定控制具有重要作用。阴极斑点以很高 的速度做无规则的运动， 常常因此而跑向阴极发射表面以外的部位。这一现像尤 其易发生在初始放电阶段， 发射表面的氧化物等其他杂质的存在诱发了放电过程 的不稳定， 导致杂质气体的产生，因此限制和控制阴极斑点的运动成为问题的关 键。 小电流真空电弧的运动受磁场的影响较大， 所以可以利用磁场限制电弧并控 制阴极斑点的运动轨迹。 当磁场平行于阴极表面时， 电弧斑点作所谓的反向运动， 即运动方向与安培力方向相反。 当磁场与阴极表面相交时，则在反向运动上还叠 加一个漂移运动， 漂移运动的方向指向磁力线与阴极表面所夹的锐角区域，此即 为锐角定则。上述规律用于真空电弧沉积阴极弧源设计时，有两种表现形式：一 是在阴极表面形成环拱型磁场。 根据反向运动原理和锐角法则，电弧将沿着磁力 线与阴极表面的切线作环绕运动。调整切线的位置，可以将阴极斑点限制在某一 区域内；二是改变阴极的形状，使磁场与阴极的非烧蚀面斜交，通过漂移运动使 电弧转移至烧蚀面，如图 1.9 所示
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。
图 1.8 多弧离子镀膜机设备结构示意图 1—阴极弧电源 2—反应进气口 3—工件 4—氩气进气口 5—主弧源 6—偏压源
图 1.8 为多弧离子镀膜机设备结构示意图。在镀膜过程中，工件被烘烤加热 和轰击净化后启动引弧针， 在引弧针离开阴极表面时触发引燃弧光放电，在真空 条件下这种冷场致弧光放电可以自动维持。 阴极电弧源发射出的高密度金属离子
1.2 多弧离子镀的技术特点
多弧离子镀具有以下特点： （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） 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
3
的最佳工艺。 （3） 一弧多用，既是蒸发源，又是加热源、预轰击净化源和离化源。 （4） 设备结构简单，可以拼装，适于镀各种形状的零件。 （5） 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。 （6） 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，有利于反应的充分进行。多 弧离子镀进行反应沉积所制备的反应膜几乎都是化学计量的， 而且反应过程也易 于控制。 在多弧离子镀中， 由于阴极靶可以安装在镀膜室壁的任一面上，而且靶的形 状可以根据需要进行调整， 气体的碰撞和等离子体中的库伦散射使膜层可以再基 片的侧面和背面沉积， 因此多弧离子镀具有良好的绕镀性。随着工件架设计的不 断改善， 基片在镀膜过程中同时参与自转和公转， 使得基片各面的沉积条件均等，
9
可镀制的膜层包括几乎全部金属盒部分合金材料。而且，在镀制合金镀层时，该 方法所获得的膜层能保留靶源合金材料的成分比例不变。因此，阳极真空电弧镀 膜方法出现伊始就引起了广泛重视。 1.3.2.3 辅助阳极技术 辅助阳极多弧沉积技术所用弧源与偏压电源和一般的阴极电弧沉积设备相 同， 其目标是提供一种真空电弧沉积装置，不是通过等离子流中离子在进行离子 清洗和基体加热， 而是通过增强此阶段中使用的气体的离化率的一种辉光放电来 达到。 由于辅助阳极的点位相对于等离子体为正，部分等离子体中的电子加速移 向阳极， 获得相应电势差加速带来的能量。此外还可以通过气体的离子轰击基材 表面来达到清理和加热， 防止形成有害的中间层。进一步的发明在于辅助阳极采 用磁性材料制成。为防止大颗粒污染基体表面，对部分阴极靶安装了隔离装置。 它可在两个位置上移动， 一个位置完全挡住靶与基体的直线距离位置，另一位置 完全打开通道。 前一位置主要用在清洗、 加热阶段。 图 1.11 为辅助阳极示意图。
图 1.102—辉光放电电极 3—阴极 4—屏蔽罩 5—抽气系统 6—阳极 7—阳极偏压 8—样品 表 9—衬底偏压
阳极真空电弧镀膜装置结构示意图见图 1.10。在真空室内，有一个水冷棒状 阳极， 其前端用难熔金属棒弯成一个支架，然后将所要镀制的材料加工成金属丝 并缠绕在支架上。正对阳极前端是水冷盘状阴极，可由金属或合金制成，同时利 用磁场控制阴极斑点的位置， 使之不逸出阴极端面。 在阴极外围， 有一个屏蔽罩， 用以限制阴极斑点的运动， 并阻止阴极熔化金属液滴向衬底喷射。样品架位于放 电区间的上方，并施加一定的负偏压，以加速离子向衬底运动；如果衬底为非导 电材料，则可在阳极上加一定的正偏压，也可达到使衬底吸引离子的效果。 阳极真空电弧镀膜方法是一种区别于阴极真空电弧镀膜的全新薄膜沉积方 法，它保留了 VAC 技术的长处，克服了大颗粒污染的弊端，同时又具有自身独 特的优点，如设备结构简单，衬底温升低，可在金属、非金属衬底上进行镀膜，
a
b
图 1.9 磁场控制电弧斑点的两种表现形式 a—在阴极表面形成环拱型磁场；b—改变阴极的形状，使磁场与阴极的非烧蚀斜交，通过漂
8
移运动使电弧转移到烧蚀面
1.3.2.2 真空阳极电弧沉积技术 为改善膜层表面出现的大颗粒缺陷， 以及弧斑对阴极表面的腐蚀不均所造成 靶面局部穿孔从而使靶材浪费的缺陷， 提出了阳极弧设想， 即被镀材料作为阳极， 可有效解决上述问题。该技术利用电子轰击阳极靶材，经过电弧等离子体，可使 蒸发出来的靶材与背底气体之间发生化学反应， 因而在各种化合物薄膜及多元合 金膜层的制备方面有很大应用前景。
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。