摘 要：介绍了几种沉积氮化钛涂层的新技术。利用辅助磁场消除多孤离子镀沉积氮化钛膜层中的熔滴，细化膜层组织；安装平面大弧源和柱状弧源的多弧离子镀膜机，使多弧离子镀膜机结构简化、操作简便；采用非平衡磁控溅射源扩展了镀膜室内等离子体范围，有利于磁控溅射沉积氮化钛超硬涂层。
关键词：氮化钛涂层；多弧离子镀；非平衡磁控溅射源
1 前言
氮化钛膜作为超硬涂层用于提高工模具的使用寿命的历史已经有20余年。目前，能够进行产业化沉积氮化钛涂层的沉积技术主要有三极磁控溅射、活性反应离子镀、空心阴极离子镀、热丝弧离子镀、多弧离子镀。在这些沉积技术中以多弧离子镀的金属离化率最高、金属离子流密度最高，最容易获得氮化钛等化合物涂层。由于采用场致发射原理，每一个小弧斑是一个场致电子发射源、金属蒸发源、金属离化源。由弧斑发射出的高密度电子流和高密度的金属蒸汽流产生高密度的碰撞电离，可以获得高离化率的金属离子流，容易反应沉积氮化钛等化合物涂层。弧斑在磁场的作用下在靶面上高速旋转，靶面上没有固定熔池，使得多弧源可以在镀膜室壁上任意安放，镀膜均匀区大、生产效率高，是1985年我国引进的各种沉积氮化钛涂层设备以来，应用最多的沉积技术。但多弧离子镀技术有如下的不足，限制了其优点的发挥：①膜层组织中有粗大的熔滴，膜层组织比空心阴极离子镀、热丝弧离子镀、磁控溅射镀的膜层组织粗大；②目前多弧离子镀设备多采用直径60mm～100mm的小弧源，为了使工件转架上得到均匀的镀膜，需在一台镀膜机的室壁上安装多个小弧源。每个小弧源必须配一个弧电源、一个引弧针、一套控制系统，镀膜机的结构复杂。操作者必须逐个引燃每一个小弧源，并随时关心每一个弧源的工作情况，操作烦琐。图1为安装小弧源的多弧离子镀膜机[1]。
图1 小弧源多弧离子镀膜机照片
由于多弧离子镀技术已经成为沉积氮化钛超硬涂层的重要技术，因此大家对它的研究、改进做了大量工作。
2 消除熔滴、细化膜层组织
在小弧源结构基础上利用磁场提高弧斑的运动速度或采用磁过滤方式过滤掉大熔滴。
2.1 在靶面附近设直线型磁场
利用磁场产生的旋转力提高弧斑的旋转运动速度，减少弧斑在靶面的停留时间，从而减小弧斑尺寸，可以细化膜层组织，而且提高膜层硬度。图2为中国科学院电工研究所开发的设置直线形辅助磁场的小弧源[2]结构示意图。
图2 设置直线磁场的小弧源结构示意图
1.钛阴极 2.导磁环 3.导磁环 4.磁轭
5.线圈 6.BN 7.引弧针
2.2 在靶面附近设偏转型磁场
磁场只将欲镀的金属离子流偏转到待镀的工件上，阻挡了熔滴。磁场偏转的形式是多种多样的。图3为哈尔滨工业大学研制的设置偏转90°磁场的小弧源结构[3]示意图，这种技术虽然降低了沉积速率，增加了设备的复杂程度，但细化了膜层组织，提高了膜层的硬度，显著改善了膜层质量，对于精密的工模具是很有意义的。
图3 设置90°偏转磁场的小弧源结构示意图
1.阴极靶 2.引弧元件 3.引弧电极 4.绝缘体
5.水冷阴极支架 6.观察窗 7.水冷罩 8.推弧电磁线圈
9.聚焦电磁线圈 10.弯曲弧电磁线圈 11.90°弯头 12.离子出口
3 简化多弧离子镀膜机结构
小弧源多弧离子镀膜机中安装弧源的数量由几个发展到几十个，设备结构复杂、配套辅件多、操作步骤多、故障率高。国内外多弧离子镀科技工作者开发出了矩形平面大弧源和柱状源多弧离子镀膜机。
图4 同时安装大弧源和柱弧源多弧离子镀膜机照片
1.平面大弧源 2.柱状弧源
3.1 矩形平面大弧源多弧离子镀膜机[4]
矩形平面大弧源位于镀膜机的两侧，图4照片中的1为大弧源。大弧源靶材宽度一般为120mm～250mm，长度为300mm～1500mm。可以用电磁控，也可以用永磁控的方式控制弧斑运动。大弧源安装在镀膜室壁上，每台镀膜机可以安装一个到两个大弧源，镀膜均匀区大。每台镀膜机只配一个到两个弧电源、一个或两个引弧针和控制系统。设备结构简单、操作简便。我国大弧源多弧离子镀膜机弧源控制水平优于美国产品，靶材烧蚀均匀、靶材利用率高。
3.2 柱状弧源多弧离子镀膜机[5]
柱状弧源安装在镀膜室的中央，如图4中2所示。柱状弧源靶材呈管状，直径40mm～100mm，长度200mm～2000mm，柱状弧源与工件转架等长。靶管的内部或外部设置磁场，可以是电磁控也可以是永磁控，使弧斑在靶面上运动。我国研制的柱状弧源多弧离子镀膜机的结构简单，永磁体在靶管中做旋转运动，所产生的弧斑可以是直条形，也可以是螺旋线形，沿柱弧源全长分布，并沿靶面扫描，引燃弧光放电后，柱弧源沿全长不断地向周围360°方向镀膜。一台镀膜机只需一个柱弧源、一个弧电源、一个引弧针、一套控制系统便可以实现沿工件转架全长的均匀镀膜。操作只需一个引弧操作，只需关心一个弧源的工作情况。设备结构简单、操作简便、故障率低。柱弧源配上平面弧源或平面磁控射源比较方便地进行合金膜、多层膜的镀制。
4 新型非平衡磁控溅射离子镀膜机
4.1 平衡磁控溅射
磁控溅射镀膜技术突出的优点是膜层组织细密、磁控靶可以做成较大的面积。但以往采用的磁控溅射源中的磁场为均匀封闭的磁场，无论是平面靶还是柱状靶，多是利用平行于靶面的磁场分量来约束二次电子在靶面做螺旋线运动。以此提高氩气的离子化率和提高溅射速率。这种磁场结构的不足之处在于高密度的等离子体区只能分布在靶面附近，整个镀膜室内的等离子体密度低。工件附近的等离子体密度更低，不利于膜层粒子的活化。因此在采用磁控溅射技术镀氮化钛时，由于金属离化率低，使得氮、钛两个元素不容易反应生成氮化钛膜，工艺难度大，膜层色泽稳定性差，而且只能把工件安置在距离靶面50～100mm的范围内。这样小的有效镀膜区限制了待镀工件的尺寸，制约了磁控溅射镀膜技术的生产效率和应用范围。这种磁场结构的磁控溅射技术称之为“平衡磁控溅射”技术。图5a为平衡磁控溅射原理图[7]。
图5 磁控溅射原理图
（a）平衡磁控溅射 （b）非平衡磁控溅射
1.工件 2.镀膜室 3.等离子体 4.磁控靶
4.2 非平衡磁控溅射
1985年B．Window开发出了“非平衡磁控溅射”技术[6]。所谓非平衡磁控溅射是将某一磁极的磁场对于另一极性相反磁极的磁场增强或减弱，这就导致了磁场分布的“非平衡”。在保证靶面水平磁场分量有效地约束二次电子运动，可以维持稳定的磁控溅射放电的同时，另一部分电子沿着强磁极产生的垂直靶面的纵向磁场，可以使逃逸出靶面的电子飞向镀膜区域。这些飞离靶面的电子还会与中性粒子产生碰幢电离，进一步提高镀膜空间的等离子体密度，有利于提高沉积速率，更有利于反应沉积氮化钛等化合物涂层。图5b为非平衡磁控溅射原理图[7]。1993年D．G．Teer推出了具有四靶闭合磁场安排的非平衡磁控溅射装置[8]。图6为其原理图。W．D．Munz等采用Arc-Bond Sputter技术沉积TiAlN-TiN、TiAlZrN等超硬涂层。在这种装置中，既安装多弧源，又安装非平衡磁控溅射源[9]。首先用多弧源产生的金属等离子体轰击工件，然后用非平衡磁控溅射靶镀各种超硬膜。所得涂层的硬度高达2500～3600HK，膜层组织较细，是很理想的工模具超硬涂层。
图6 四靶闭合磁场的非平衡磁控溅射装置示意图
1.主靶 2.辅助靶 3.工件转架
参考文献：
[1]王殿如．ZL 95228676.9．
[2]吴振华，黄经，游本章．真空[J]，1991（4）：9～18．
[3]李刘合，夏立芳．首届全国耐蚀耐磨技术及工程应用研讨会论文集[C]．1998：92～97．
[4]王福贞，唐希源等．用多弧离子镀膜机镀氮化钛[J]．金属热处理，1994（5）：17～21．
[5]王福贞．真空[J]，1997（2）：43～45
[6]Window B and Savides N J．Vac．Sci．Technol．[J]，1986，A4（2）：196～202．
[7]Musil J，Kadlec S，Vyskocil J and Poulek V．Surf．Coat．Technol．，1989，301：30～40．
[8]Monaghan D P and Teer D G．Surf．Coat．Technol[J]．1993，59：21～25．
[9]Donohue L A and Munz W D．Surf．Coat．Technol[J]．1995，74-75：123～124． | 
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2005-08-04
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