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摘 要：介紹了幾種沉積氮化鈦涂層的新技術(shù)。利用輔助磁場(chǎng)消除多孤離子鍍沉積氮化鈦膜層中的熔滴，細(xì)化膜層組織；安裝平面大弧源和柱狀弧源的多弧離子鍍膜機(jī)，使多弧離子鍍膜機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、操作簡(jiǎn)便；采用非平衡磁控濺射源擴(kuò)展了鍍膜室內(nèi)等離子體范圍，有利于磁控濺射沉積氮化鈦超硬涂層。
關(guān)鍵詞：氮化鈦涂層；多弧離子鍍；非平衡磁控濺射源
1 前言
氮化鈦膜作為超硬涂層用于提高工模具的使用壽命的歷史已經(jīng)有20余年。目前，能夠進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化沉積氮化鈦涂層的沉積技術(shù)主要有三極磁控濺射、活性反應(yīng)離子鍍、空心陰極離子鍍、熱絲弧離子鍍、多弧離子鍍。在這些沉積技術(shù)中以多弧離子鍍的金屬離化率最高、金屬離子流密度最高，最容易獲得氮化鈦等化合物涂層。由于采用場(chǎng)致發(fā)射原理，每一個(gè)小弧斑是一個(gè)場(chǎng)致電子發(fā)射源、金屬蒸發(fā)源、金屬離化源。由弧斑發(fā)射出的高密度電子流和高密度的金屬蒸汽流產(chǎn)生高密度的碰撞電離，可以獲得高離化率的金屬離子流，容易反應(yīng)沉積氮化鈦等化合物涂層。弧斑在磁場(chǎng)的作用下在靶面上高速旋轉(zhuǎn)，靶面上沒有固定熔池，使得多弧源可以在鍍膜室壁上任意安放，鍍膜均勻區(qū)大、生產(chǎn)效率高，是1985年我國(guó)引進(jìn)的各種沉積氮化鈦涂層設(shè)備以來，應(yīng)用最多的沉積技術(shù)。但多弧離子鍍技術(shù)有如下的不足，限制了其優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮：①膜層組織中有粗大的熔滴，膜層組織比空心陰極離子鍍、熱絲弧離子鍍、磁控濺射鍍的膜層組織粗大；②目前多弧離子鍍?cè)O(shè)備多采用直徑60mm～100mm的小弧源，為了使工件轉(zhuǎn)架上得到均勻的鍍膜，需在一臺(tái)鍍膜機(jī)的室壁上安裝多個(gè)小弧源。每個(gè)小弧源必須配一個(gè)弧電源、一個(gè)引弧針、一套控制系統(tǒng)，鍍膜機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。操作者必須逐個(gè)引燃每一個(gè)小弧源，并隨時(shí)關(guān)心每一個(gè)弧源的工作情況，操作煩瑣。圖1為安裝小弧源的多弧離子鍍膜機(jī)[1]。
圖1 小弧源多弧離子鍍膜機(jī)照片
由于多弧離子鍍技術(shù)已經(jīng)成為沉積氮化鈦超硬涂層的重要技術(shù)，因此大家對(duì)它的研究、改進(jìn)做了大量工作。
2 消除熔滴、細(xì)化膜層組織
在小弧源結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上利用磁場(chǎng)提高弧斑的運(yùn)動(dòng)速度或采用磁過濾方式過濾掉大熔滴。
2.1 在靶面附近設(shè)直線型磁場(chǎng)
利用磁場(chǎng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力提高弧斑的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度，減少弧斑在靶面的停留時(shí)間，從而減小弧斑尺寸，可以細(xì)化膜層組織，而且提高膜層硬度。圖2為中國(guó)科學(xué)院電工研究所開發(fā)的設(shè)置直線形輔助磁場(chǎng)的小弧源[2]結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2 設(shè)置直線磁場(chǎng)的小弧源結(jié)構(gòu)示意圖
1.鈦陰極 2.導(dǎo)磁環(huán) 3.導(dǎo)磁環(huán) 4.磁軛
5.線圈 6.BN 7.引弧針
2.2 在靶面附近設(shè)偏轉(zhuǎn)型磁場(chǎng)
磁場(chǎng)只將欲鍍的金屬離子流偏轉(zhuǎn)到待鍍的工件上，阻擋了熔滴。磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)的形式是多種多樣的。圖3為哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的設(shè)置偏轉(zhuǎn)90°磁場(chǎng)的小弧源結(jié)構(gòu)[3]示意圖，這種技術(shù)雖然降低了沉積速率，增加了設(shè)備的復(fù)雜程度，但細(xì)化了膜層組織，提高了膜層的硬度，顯著改善了膜層質(zhì)量，對(duì)于精密的工模具是很有意義的。
圖3 設(shè)置90°偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的小弧源結(jié)構(gòu)示意圖
1.陰極靶 2.引弧元件 3.引弧電極 4.絕緣體
5.水冷陰極支架 6.觀察窗 7.水冷罩 8.推弧電磁線圈
9.聚焦電磁線圈 10.彎曲弧電磁線圈 11.90°彎頭 12.離子出口
3 簡(jiǎn)化多弧離子鍍膜機(jī)結(jié)構(gòu)
小弧源多弧離子鍍膜機(jī)中安裝弧源的數(shù)量由幾個(gè)發(fā)展到幾十個(gè)，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、配套輔件多、操作步驟多、故障率高。國(guó)內(nèi)外多弧離子鍍科技工作者開發(fā)出了矩形平面大弧源和柱狀源多弧離子鍍膜機(jī)。
圖4 同時(shí)安裝大弧源和柱弧源多弧離子鍍膜機(jī)照片
1.平面大弧源 2.柱狀弧源
3.1 矩形平面大弧源多弧離子鍍膜機(jī)[4]
矩形平面大弧源位于鍍膜機(jī)的兩側(cè)，圖4照片中的1為大弧源。大弧源靶材寬度一般為120mm～250mm，長(zhǎng)度為300mm～1500mm。可以用電磁控，也可以用永磁控的方式控制弧斑運(yùn)動(dòng)。大弧源安裝在鍍膜室壁上，每臺(tái)鍍膜機(jī)可以安裝一個(gè)到兩個(gè)大弧源，鍍膜均勻區(qū)大。每臺(tái)鍍膜機(jī)只配一個(gè)到兩個(gè)弧電源、一個(gè)或兩個(gè)引弧針和控制系統(tǒng)。設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便。我國(guó)大弧源多弧離子鍍膜機(jī)弧源控制水平優(yōu)于美國(guó)產(chǎn)品，靶材燒蝕均勻、靶材利用率高。
3.2 柱狀弧源多弧離子鍍膜機(jī)[5]
柱狀弧源安裝在鍍膜室的中央，如圖4中2所示。柱狀弧源靶材呈管狀，直徑40mm～100mm，長(zhǎng)度200mm～2000mm，柱狀弧源與工件轉(zhuǎn)架等長(zhǎng)。靶管的內(nèi)部或外部設(shè)置磁場(chǎng)，可以是電磁控也可以是永磁控，使弧斑在靶面上運(yùn)動(dòng)。我國(guó)研制的柱狀弧源多弧離子鍍膜機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，永磁體在靶管中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所產(chǎn)生的弧斑可以是直條形，也可以是螺旋線形，沿柱弧源全長(zhǎng)分布，并沿靶面掃描，引燃弧光放電后，柱弧源沿全長(zhǎng)不斷地向周圍360°方向鍍膜。一臺(tái)鍍膜機(jī)只需一個(gè)柱弧源、一個(gè)弧電源、一個(gè)引弧針、一套控制系統(tǒng)便可以實(shí)現(xiàn)沿工件轉(zhuǎn)架全長(zhǎng)的均勻鍍膜。操作只需一個(gè)引弧操作，只需關(guān)心一個(gè)弧源的工作情況。設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、故障率低。柱弧源配上平面弧源或平面磁控射源比較方便地進(jìn)行合金膜、多層膜的鍍制。
4 新型非平衡磁控濺射離子鍍膜機(jī)
4.1 平衡磁控濺射
磁控濺射鍍膜技術(shù)突出的優(yōu)點(diǎn)是膜層組織細(xì)密、磁控靶可以做成較大的面積。但以往采用的磁控濺射源中的磁場(chǎng)為均勻封閉的磁場(chǎng)，無論是平面靶還是柱狀靶，多是利用平行于靶面的磁場(chǎng)分量來約束二次電子在靶面做螺旋線運(yùn)動(dòng)。以此提高氬氣的離子化率和提高濺射速率。這種磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的不足之處在于高密度的等離子體區(qū)只能分布在靶面附近，整個(gè)鍍膜室內(nèi)的等離子體密度低。工件附近的等離子體密度更低，不利于膜層粒子的活化。因此在采用磁控濺射技術(shù)鍍氮化鈦時(shí)，由于金屬離化率低，使得氮、鈦兩個(gè)元素不容易反應(yīng)生成氮化鈦膜，工藝難度大，膜層色澤穩(wěn)定性差，而且只能把工件安置在距離靶面50～100mm的范圍內(nèi)。這樣小的有效鍍膜區(qū)限制了待鍍工件的尺寸，制約了磁控濺射鍍膜技術(shù)的生產(chǎn)效率和應(yīng)用范圍。這種磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的磁控濺射技術(shù)稱之為“平衡磁控濺射”技術(shù)。圖5a為平衡磁控濺射原理圖[7]。
圖5 磁控濺射原理圖
（a）平衡磁控濺射 （b）非平衡磁控濺射
1.工件 2.鍍膜室 3.等離子體 4.磁控靶
4.2 非平衡磁控濺射
1985年B．Window開發(fā)出了“非平衡磁控濺射”技術(shù)[6]。所謂非平衡磁控濺射是將某一磁極的磁場(chǎng)對(duì)于另一極性相反磁極的磁場(chǎng)增強(qiáng)或減弱，這就導(dǎo)致了磁場(chǎng)分布的“非平衡”。在保證靶面水平磁場(chǎng)分量有效地約束二次電子運(yùn)動(dòng)，可以維持穩(wěn)定的磁控濺射放電的同時(shí)，另一部分電子沿著強(qiáng)磁極產(chǎn)生的垂直靶面的縱向磁場(chǎng)，可以使逃逸出靶面的電子飛向鍍膜區(qū)域。這些飛離靶面的電子還會(huì)與中性粒子產(chǎn)生碰幢電離，進(jìn)一步提高鍍膜空間的等離子體密度，有利于提高沉積速率，更有利于反應(yīng)沉積氮化鈦等化合物涂層。圖5b為非平衡磁控濺射原理圖[7]。1993年D．G．Teer推出了具有四靶閉合磁場(chǎng)安排的非平衡磁控濺射裝置[8]。圖6為其原理圖。W．D．Munz等采用Arc-Bond Sputter技術(shù)沉積TiAlN-TiN、TiAlZrN等超硬涂層。在這種裝置中，既安裝多弧源，又安裝非平衡磁控濺射源[9]。首先用多弧源產(chǎn)生的金屬等離子體轟擊工件，然后用非平衡磁控濺射靶鍍各種超硬膜。所得涂層的硬度高達(dá)2500～3600HK，膜層組織較細(xì)，是很理想的工模具超硬涂層。
