第9章氣相沉積技術(shù)氣相沉積技術(shù)---通過氣相材料或使材料氣化后沉積于固體材料或制品〔基片〕外表并形成薄膜，從而使基片獲得特殊外表性能的一種新技術(shù)。19.1薄膜的特征與分類

薄膜的定義與特征定義：一類用特殊方法獲得的，依靠基體支撐并具有與基體不同的結(jié)構(gòu)和性能的二維材料。也稱為涂層和鍍層。2特征：〔1〕厚度：亞微米至微米級(jí)〔2〕有基體支撐〔3〕特殊的結(jié)構(gòu)和性能〔4〕特殊的形成方式：依靠原子尺度的粒子在另一固體外表生長(zhǎng)而成3

薄膜的種類以材料種類劃分

金屬、合金、陶瓷、半導(dǎo)體、化合物、高分子材料薄膜等。以晶體結(jié)構(gòu)劃分

單晶、多晶、納米晶、非晶以及各種外延生長(zhǎng)薄膜。以厚度劃分

納米薄膜、微米薄膜和厚膜等。以薄膜組成結(jié)構(gòu)劃分

多層薄膜、梯度薄膜、多相材料組成的具有不同微結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜等4

薄膜的應(yīng)用光學(xué)薄膜微電子學(xué)薄膜光電子學(xué)薄膜集成光學(xué)薄膜信息存儲(chǔ)膜防護(hù)功能薄膜膜5

薄膜的制備方法液相法，主要是電鍍和化學(xué)鍍氣相沉積技術(shù)物理氣相沉積(PVD)化學(xué)氣相沉積(CVD)真空蒸鍍?yōu)R射鍍膜離子鍍膜在真空條件下，采用各種物理方法將固態(tài)的鍍料轉(zhuǎn)化成原子、分子或離子態(tài)的氣相物質(zhì)后再沉積于基體外表，從而形成固體薄膜的方法。將含有組成薄膜的一種或幾種化合物氣體導(dǎo)入反響室，使其在基體外表通過化學(xué)反響生成所需要薄膜的方法。67一、引言二、真空技術(shù)入門三、真空蒸發(fā)鍍膜的原理四、薄膜的形成五、合金與化合物的蒸鍍六、分子束外延七、蒸鍍用途9.2蒸發(fā)鍍膜8真空鍍膜技術(shù)是一種新穎的材料合成與加工的新技術(shù)，是外表工程技術(shù)領(lǐng)域的重要組成局部。真空鍍膜技術(shù)是利用物理、化學(xué)手段將固體外表涂覆一層特殊性能的薄膜，從而使固體外表具有耐磨損、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、防輻射、導(dǎo)電、導(dǎo)磁、絕緣和裝飾等許多優(yōu)于固體材料本身的優(yōu)越性能，到達(dá)提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命、節(jié)約能源和獲得顯著技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的作用。因此真空鍍膜技術(shù)被譽(yù)為最具開展前途的重要技術(shù)之一，并已在高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的開展中展現(xiàn)出誘人的市場(chǎng)前景。一、引言9真空蒸發(fā)鍍膜的優(yōu)點(diǎn)是沉積速度較高，蒸發(fā)源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易制作，造價(jià)低廉，但不能蒸發(fā)難熔金屬和介質(zhì)材料。最大的缺點(diǎn)就是材料的利用率極低〔試料在籃狀蒸發(fā)源中以立體角、在舟狀蒸發(fā)源中以立體角四散開來〕10二、真空技術(shù)入門真空：低于一個(gè)大氣壓的氣體狀態(tài)。

1643年，意大利物理學(xué)家托里拆利(E.Torricelli)首創(chuàng)著名的大氣壓實(shí)驗(yàn)，獲得真空。自然真空：氣壓隨海拔高度增加而減小，存在于宇宙空間。人為真空：用真空泵抽掉容器中的氣體。11真空度的單位

1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=760mmHg=760(Torr)1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=1.013x105Pa1Torr=133.3Pa12真空區(qū)域的劃分目前尚無統(tǒng)一規(guī)定，一般最常見的劃分為：粗真空低真空高真空超高真空極高真空13真空的獲得低真空〔10－1Pa〕——機(jī)械泵較高真空〔10－3～10－4Pa〕——擴(kuò)散泵更高真空——渦輪分子泵

真空技術(shù)是根本實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一，真空技術(shù)在近代尖端科學(xué)技術(shù)，如外表科學(xué)、薄膜技術(shù)、空間科學(xué)、高能粒子加速器、微電子學(xué)、材料科學(xué)等工作中都占有關(guān)鍵的地位，在工業(yè)生產(chǎn)中也有日益廣泛的應(yīng)用。14真空度的測(cè)量實(shí)用的真空計(jì)主要有：Ｕ形真空計(jì)——10－5～1Pa熱傳導(dǎo)真空計(jì)——100～10－1Pa高真空電離真空計(jì)——10－1～10－5PaB－A超高真空電離計(jì)——10－1～10－9Pa

(貝耶得和阿爾伯特研制)分壓強(qiáng)真空計(jì)——10－1～10－14Pa15

三、真空蒸發(fā)鍍膜的原理蒸發(fā)鍍膜的原理蒸發(fā)鍍膜的根本過程：用真空抽氣系統(tǒng)對(duì)密閉的鐘罩進(jìn)行抽氣，當(dāng)真空罩氣體壓強(qiáng)足夠低時(shí)〔真空度足夠高〕，通過蒸發(fā)源對(duì)蒸發(fā)料進(jìn)行加熱到一定的溫度，使蒸發(fā)料氣化后沉積于基片外表，形成薄膜。蒸發(fā)鍍膜的根本設(shè)備主要是附有真空抽氣系統(tǒng)的真空室和蒸發(fā)鍍膜材料的加熱系統(tǒng)，安裝基片或工件的基片架和一些輔助裝置組成。16真空系統(tǒng)(DM—300鍍膜機(jī))17

蒸發(fā)系統(tǒng)18

蒸發(fā)源蒸發(fā)源的形狀如以下圖，大致有螺旋式(a)、籃式(b)、發(fā)叉式(c)和淺舟式(d)等。19

蒸發(fā)源與蒸發(fā)方式

蒸發(fā)源---使鍍膜材料氣化的部件。電阻蒸發(fā)源電子束蒸發(fā)源激光蒸發(fā)源利用電子束加熱可以使鎢〔熔點(diǎn)3380℃〕、鉬〔熔點(diǎn)2610℃〕和鉭〔熔點(diǎn)3100℃〕等高熔點(diǎn)金屬熔化。加熱器材料常使用鎢、鉬、鉭等高熔點(diǎn)金屬，按照蒸發(fā)材料的不同，可制成絲狀、帶狀和板狀。高能量密度蒸發(fā)源，可以通過無接觸加熱方式使鍍膜材料迅速氣化。20脈沖激光蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)PLD-450HD-1200電阻式蒸發(fā)鍍膜機(jī)DZS-500型電子束/電阻蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)

蒸發(fā)源材料和鍍膜材料的選擇搭配原那么〔1〕蒸發(fā)源有良好的熱穩(wěn)定性，化學(xué)性質(zhì)不活潑，到達(dá)蒸發(fā)溫度時(shí)加熱器本身的蒸汽壓要足夠低?！?〕蒸發(fā)源的熔點(diǎn)要高于被蒸發(fā)物的蒸發(fā)溫度。加熱器要有足夠大的熱容量?！?〕蒸發(fā)物質(zhì)和蒸發(fā)源材料的互熔性必須很差，不易形成合金?！?〕要求線圈狀蒸發(fā)源所用材料能與蒸發(fā)材料有良好的浸潤(rùn)，有較大的外表張力?！?〕對(duì)于不易制成絲狀、或蒸發(fā)材料與絲狀蒸發(fā)源的外表張力較小時(shí)，可采用舟狀蒸發(fā)源。21

四、薄膜的形成1.吸附現(xiàn)象(1)反射---入射原子沒有將其能量釋放，又重新回到空間。(2)物理吸附---范德華力結(jié)合(3)化學(xué)吸附---形成電子共有的化學(xué)鍵(4)吸附原子的遷移及與同類原子的締合222.薄膜的生長(zhǎng)方式薄膜生長(zhǎng)有三種根本類型：核生長(zhǎng)型(Volmer-Weber)層生長(zhǎng)型(Frank-VanderMerve)層核生長(zhǎng)型(Straski-Krastanov)23核生長(zhǎng)型(Volmer-Weber)形核階段小島階段網(wǎng)絡(luò)階段連續(xù)薄膜層生長(zhǎng)型(Frank-VanderMerve)共格外延生長(zhǎng)同結(jié)構(gòu)外延異結(jié)構(gòu)外延層核生長(zhǎng)型(Straski-Krastanov)核生長(zhǎng)型(Volmer-Weber)層生長(zhǎng)型(Frank-VanderMerve)24

五、合金與化合物的蒸鍍1.合金的蒸鍍(1)多源蒸發(fā)(2)瞬時(shí)蒸發(fā)(3)固體蒸發(fā)(4)高能量密度束蒸發(fā)252.化合物蒸鍍

采用化合物蒸發(fā)材料蒸鍍薄膜時(shí)，一些化合物會(huì)在高溫下分解，造成其中的高蒸氣壓組分的降低，因此要控制蒸發(fā)源的溫度或在高真空室中參加反響氣體的方式以補(bǔ)充氣體組分的損失。許多化合物熔點(diǎn)很高，采用直接加熱蒸發(fā)工藝有一定困難，通常采用“反響蒸鍍法〞。例如鍍制TiC是在蒸鍍Ti的同時(shí)，向真空室通入乙炔氣，于是基片上發(fā)生以下反響而得到TiC膜層。

2Ti＋C2H2——2TiC十H226六、分子束外延

以蒸鍍?yōu)楦组_展起來的分子束外延技術(shù)和設(shè)備，經(jīng)過10余年的開發(fā)，近年來已制備出各種Ⅲ-V族化合物的半導(dǎo)體器件。外延是指在單晶基體上成長(zhǎng)出位向相同的同類單晶體〔同質(zhì)外延〕，或者成長(zhǎng)出具有共格或半共格聯(lián)系的異類單晶體〔異質(zhì)外延〕。目前分子束外延的膜厚控制水平已經(jīng)到達(dá)單原子層，甚至知道某一單原子層是否已經(jīng)排滿，而另一層是否已經(jīng)開始成長(zhǎng)。27七、蒸鍍用途蒸鍍只用于鍍制對(duì)結(jié)合強(qiáng)度要求不高的某些功能膜;例如用作電極的導(dǎo)電膜，光學(xué)鏡頭用的增透膜等。蒸鍍用于鍍制合金膜時(shí)，在保證合金成分這點(diǎn)上，要比濺射困難得多，但在鍍制純金屬時(shí)，蒸鍍可以表現(xiàn)出鍍膜速率快的優(yōu)勢(shì)。28蒸鍍純金屬膜中，90％是鋁膜鋁膜有廣泛的用途目前在制鏡工業(yè)中已經(jīng)廣泛采用蒸鍍，以鋁代銀，節(jié)約貴重金屬。集成電路是鍍鋁進(jìn)行金屬化，然后再刻蝕出導(dǎo)線。在聚酯薄膜上鍍鋁具有多種用途：制造小體積的電容器；制作防止紫外線照射的食品軟包裝袋；經(jīng)陽極氧化和著色后即得色彩鮮艷的裝飾膜。雙面蒸鍍鋁的薄鋼板可代替鍍錫的馬口鐵制造罐頭盒。29309.3濺射鍍膜濺射鍍膜：是指在真空室中，利用荷能粒子轟擊鍍料外表，使被轟擊出的粒子在基片上沉積的技術(shù)。濺射鍍膜有兩種：一種是在真空室中，利用離子束轟擊靶外表，使濺射出的粒子在基片外表成膜，這稱為離子束濺射。離子束要由特制的離子源產(chǎn)生，離子源結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，價(jià)格較貴，只是在用于分析技術(shù)和制取特殊的薄膜時(shí)才采用離子束濺射。另一種是在真空室中，利用低壓氣體放電現(xiàn)象，使處于等離子狀態(tài)下的離子轟擊靶外表，并使濺射出的粒子堆積在基片上。31濺射鍍膜歷史濺射現(xiàn)象早在19世紀(jì)就被發(fā)現(xiàn)。50年前有人利用濺射現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室中制成薄膜。60年代制成集成電路的Ta膜，開始了它在工業(yè)上的應(yīng)用。1965年IBM公司研究出射頻濺射法，使絕緣體的濺射鍍膜成為可能。近年來創(chuàng)造的新的濺射方法：二極濺射、三極〔包括四極〕濺射、磁控濺射、對(duì)向靶濺射、離子束濺射等。32在上述這些濺射方式中，如果在Ar中混入反響氣體，如O2，N2，CH4，C2H2等，可制得靶材料的氧化物、氮化物、碳化物等化合物薄膜，這就是反響濺射；在成膜的基片上，假設(shè)施加直到-500V的電壓，使離子轟擊膜層的同時(shí)成膜，使膜層致密，改善膜的性能，這就是偏壓濺射；在射頻電壓作用下，利用電子和離子運(yùn)動(dòng)特性的不同，在靶的外表上感應(yīng)出負(fù)的直流脈沖，而產(chǎn)生的濺射現(xiàn)象，對(duì)絕緣體也能進(jìn)行濺射鍍膜，這就是射頻濺射。331．離子濺射離子濺射現(xiàn)象：當(dāng)入射離子的能量在100eV～10keV范圍時(shí)，離子會(huì)從固體外表進(jìn)入固體的內(nèi)部，與構(gòu)成固體的原于和電子發(fā)生碰撞。固體的原子飛離固體外表。在離子濺射的研究中，濺射產(chǎn)額是大家最關(guān)心的。一般把對(duì)應(yīng)一個(gè)入射離子所濺射出的中性原子數(shù)叫做濺射產(chǎn)額。顯然，濺射產(chǎn)額與入射離子的能量、種類、入射角以及靶的材質(zhì)等密切相關(guān)。34濺射產(chǎn)額依入射離子的種類和靶材的不同而異入射離子中Ne，Ar，Kr，Xe等惰性氣體可得到高的濺射產(chǎn)額，在通常的濺射裝置中，從經(jīng)濟(jì)方面考慮多用氬。各種靶材的濺射產(chǎn)額隨原子序數(shù)變化呈周期性改變，Cu，Ag，Au等濺射產(chǎn)額最高，Ti，Zr，Nb，Mo，Hf，Ta，W等最小。35〔1〕直流二極濺射陰極上接1－3kV的直流負(fù)高壓，陽極通常接地。這種裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。缺點(diǎn)有：因工作壓力較高膜層有沾污；沉積速率低不能鍍10μm以上的膜厚；只能濺射導(dǎo)電材料；由于大量二次電子直接轟擊基片使基片溫升過高。

36〔2〕三極和四極濺射三極濺射是在二極濺射的裝置上附加發(fā)射電子的熱陰極，使放出熱電子強(qiáng)化放電，它既能使濺射速率有所提高，又能使濺射工況的控制更為方便。四極濺射如下圖：是在三極濺射根底上，另設(shè)一電子收集極，并在鍍膜室外增設(shè)聚焦線圈，使電子在靶和基板間作拉摩運(yùn)動(dòng)，以更進(jìn)一步增加氣體的電離幾率。這種濺射方法還是不能抑制由靶產(chǎn)生的高速電子對(duì)基片的轟擊，還存在因燈絲具有不純物而使膜層沾污等問題。37〔3〕射頻濺射射頻是指無線電波發(fā)射范圍的頻率為了防止干擾電臺(tái)工作，濺射專用頻率規(guī)定為13．56MHk。在射頻電源交變電場(chǎng)作用下，氣體中的電子隨之發(fā)生振蕩，并使氣體電離為等離子體。38射頻濺射工作原理射頻濺射的兩個(gè)電極，接在交變的射頻電源上，似乎沒有陰極與陽極之分了。實(shí)際上射頻濺射裝置的兩個(gè)電極不是對(duì)稱的。放置基片的電極與機(jī)殼相連，并且接地，這個(gè)電極相對(duì)安裝靶材的電極而言，是一個(gè)大面積的電極。它的電位與等離子相近，幾乎不受離子轟擊。另一電極對(duì)于等離子體處于負(fù)電位，是陰極，受到離子轟擊，用于裝置靶材。其缺點(diǎn)：是大功率的射頻電源不僅價(jià)高，對(duì)于人身防護(hù)也成問題。因此，射頻濺射不適于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。39〔4〕磁控濺射磁控濺射是70年代迅速開展起來的新型濺射技術(shù)，目前已在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用。磁控濺射的鍍膜速率與二極濺射相比提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。具有高速、低溫、低損傷等優(yōu)點(diǎn)。高速是指沉積速率快；低溫和低損傷是指基片的溫升低、對(duì)膜層的損傷小。1974年Chapin創(chuàng)造了適用于工業(yè)應(yīng)用的平面磁控濺射靶，對(duì)進(jìn)入生產(chǎn)領(lǐng)域起了推動(dòng)作用。40磁控濺射特點(diǎn)在陰極靶面上建立一個(gè)環(huán)狀磁靶，以控制二次電子的運(yùn)動(dòng)，離子轟擊靶面所產(chǎn)生的二次電子在陰極暗區(qū)被電場(chǎng)加速之后飛向陽極。

41能量較低的二次電子在靠近靶的封閉等離子體中作循環(huán)運(yùn)動(dòng)，路程足夠長(zhǎng)，每個(gè)電子使原子電離的時(shí)機(jī)增加，而且只有在電子的能量耗盡以后才能脫離靶外表落在陽極〔基片〕上，這是基片溫升低、損傷小的主要原因。高密度等離子體被電磁場(chǎng)束縛在靶面附近，不與基片接觸。這樣電離產(chǎn)生的正離子能十分有效地轟擊靶面，基片又免受等離子體的轟擊。電子與氣體原子的碰撞幾率高，因此氣體離化率大大增加。42〔5〕合金膜的鍍制在物理氣相沉積的各類技術(shù)中，濺射最容易控制合金膜的成分。鍍制合金膜可以采用多靶共濺射，這時(shí)控制各個(gè)磁控靶的濺射參數(shù)，可以得到一定成分的合金膜。如果直接采用合金靶〔單靶〕進(jìn)行濺射，那么不必采用任何控制措施，就可以得到與靶材成分〔相對(duì)一致〕的合金膜。43〔6〕化合物膜的鍍制化合物膜是指金屬元素與氧、氮、硅、碳、硼、硫等非金屬的化合物所構(gòu)成的膜層?；衔锬さ腻冎瓶蛇x用化合物靶濺射和反響濺射。許多化合物是導(dǎo)電材料，其電導(dǎo)率有的甚至與金屬材料相當(dāng)，這時(shí)可以采用化合物靶進(jìn)行直流濺射。對(duì)于絕緣材料化合物，那么只能采用射頻濺射。44大規(guī)模鍍制化合物膜宜采用反響濺射。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于不必用化合物靶材，而是直接用金屬靶，也不必用復(fù)雜的射頻電源，而是用直流濺射。反響濺射是在金屬靶材進(jìn)行濺射鍍膜的同時(shí)，向真空室內(nèi)通入反響氣體，金屬原子與反響氣體在基片上發(fā)生化學(xué)反響即可得到化合物膜。452．濺射的用途

濺射薄膜按其不同的功能和應(yīng)用可大致分為機(jī)械功能膜和物理功能膜兩大類。前者包括耐磨、減摩、耐熱、抗蝕等外表強(qiáng)化薄膜材料、固體潤(rùn)滑薄膜材料；后者包括電、磁、聲、光等功能薄膜材料等。46Cr，CrC，CrN等鍍層采用Cr，Cr－CrN等合金靶或鑲嵌靶，在N2，CH4等氣氛中進(jìn)行反響濺射鍍膜，可以在各種工件上鍍Cr，CrC，CrN等鍍層。純Cr的顯微硬度為425～840HV，CrN為1000～3500HV，不僅硬度高且摩擦系數(shù)小，可代替水溶液電鍍鉻。電鍍會(huì)使鋼發(fā)生氫脆、速率慢，而且會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染問題。47TiN，TiC等超硬鍍層用TiN，TiC等超硬鍍層涂覆刀具、模具等外表，摩擦系數(shù)小，化學(xué)穩(wěn)定性好，具有優(yōu)良的耐熱、耐磨、抗氧化、耐沖擊等性能，既可以提高刀具、模具等的工作特性，又可以提高使用壽命，一般可使刀具壽命提高3～10倍。48在高溫、低溫、超高真空、射線輻照等特殊條件下工作的機(jī)械部件不能用潤(rùn)滑油，只有用軟金屬或?qū)訝钗镔|(zhì)等固體潤(rùn)滑劑。常用的固體潤(rùn)滑劑有軟金屬(Au，Ag，Pb，Sn等)，層狀物質(zhì)〔MoS2，WS2，石墨，CaF2，云母等〕，高分子材料〔尼龍、聚四氟乙烯等〕等。其中濺射法制取MoS2膜及聚四氟乙烯膜十分有效。49MoS2可用化學(xué)反響鍍膜法制作，但是濺射鍍膜法得到的MoS2膜致密性好，附著性優(yōu)良。MoS2濺射膜的摩擦系數(shù)很低，在0.02～0.05范圍內(nèi)。MoS2在實(shí)際應(yīng)用時(shí)有兩個(gè)問題：一是對(duì)有些基體材料如Ag，Cu，Be等目前還不能涂覆；二是隨濕度增加，MoS2成膜的附著性變差。在大氣中使用要添加Sb2O3等防氧化劑，以便在MoS2外表形成一種保護(hù)膜。50固體潤(rùn)滑劑濺射法可以制取聚四氟乙烯膜。試驗(yàn)說明，這種高分子材料薄膜的潤(rùn)滑特性不受環(huán)境濕度的影響，可長(zhǎng)期在大氣環(huán)境中使用，是一種很有開展前途的固體潤(rùn)滑劑。其使用溫度上限為50℃，低于一260℃時(shí)才失去潤(rùn)滑性。

MoS2、聚四氯乙烯等濺射膜，在長(zhǎng)時(shí)間放置后性能變化不大，這對(duì)長(zhǎng)時(shí)間備用、突然使用又要求可靠的設(shè)備如防震、報(bào)警、防火、保險(xiǎn)裝置等是較為理想的固體潤(rùn)滑劑。51三、離子鍍膜

離子鍍就是在鍍膜的同時(shí)，采用帶荷能粒子轟擊基片外表和形成膜層的鍍膜技術(shù)。離子轟擊的目的在于改善膜層的性能。離子鍍是鍍膜與離子轟擊改性同時(shí)進(jìn)行的鍍膜過程。52無論是蒸鍍還是濺射都可以開展成為離子鍍。在磁控濺射時(shí)，將基片與真空室絕緣，再加上數(shù)百伏的負(fù)偏壓，即有能量為100eV量級(jí)的離子向基片轟擊，從而實(shí)現(xiàn)離子鍍。離子鍍也可以在蒸鍍的根底上實(shí)現(xiàn)，例如在真空室內(nèi)通入1Pa量級(jí)的氬氣后，在基片上加上1000V以上的負(fù)偏壓，即可產(chǎn)生輝光放電，并有能量為數(shù)百電子伏的離子轟擊基片，這就是二極離子鍍。53對(duì)于真空蒸鍍、濺射、離子鍍?nèi)N不同的鍍膜技術(shù)，入射到基片上的每個(gè)沉積粒子所帶的能量是不同的。熱蒸鍍?cè)哟蠹s0.2eV，濺射原子大約1-50eV，而離子鍍中轟擊離子大概有幾百到幾千eV。

541．離子鍍的原理

離子轟擊，確切說應(yīng)該既有離子又有原子的粒子轟擊。粒子中不但有氬粒子，還有鍍料粒子，在鍍膜初期還會(huì)有由基片外表濺射出來的基材粒子。55良好的結(jié)合強(qiáng)度對(duì)于以耐磨為目標(biāo)的超硬膜，采用離子鍍的目的是為了提高膜層與基片〔工件〕之間的結(jié)合強(qiáng)度。其原因是離子轟擊對(duì)基片外表的清洗作用可以除去其污染層，另外還能形成共混的過渡層。過渡層是由膜層和基片界面上的一層由鍍料原子與基片原子共同構(gòu)成的。如果離子轟擊的熱效應(yīng)足以使界面處產(chǎn)生擴(kuò)散層，形成冶金結(jié)合，那么更有利于提高結(jié)合強(qiáng)度。56

蒸鍍的膜層其剩余應(yīng)力為拉應(yīng)力，而離子轟擊產(chǎn)生壓應(yīng)力，可以抵消一局部拉應(yīng)力。離子轟擊可以提高鍍料原子在膜層外表的遷移率，這有利于獲得致密的膜層。如果離子能量過高會(huì)使基片溫度升高，使鍍料原子向基片內(nèi)部擴(kuò)散，這時(shí)獲得的就不再是膜層而是滲層，離子鍍就轉(zhuǎn)化為離子滲鍍了。離子滲鍍的離子能量為1000eV左右。57離子鍍的缺點(diǎn)氬離子的轟擊會(huì)使膜層中的氬含量升高，另外由于擇優(yōu)濺射會(huì)改變膜層的成分。582．離子鍍的類型和特點(diǎn)離子鍍?cè)O(shè)備要在真空、氣體放電的條件下完成鍍膜和離子轟擊過程。離子鍍?cè)O(shè)備要由：真空室、蒸發(fā)源、高壓電源、離化裝置、放置工件的陰極等局部組成。國(guó)內(nèi)外常用的離子鍍類型如：〔1〕空心陰極離子鍍〔HCD〕〔2〕多弧離子鍍〔3〕離子束輔助沉積59〔1〕空心陰極離子鍍〔HCD〕HCD法是利用空心熱陰極放電產(chǎn)生等離子體?？招你g管作為陰極，輔助陽極距陰極較近，二者作為引燃弧光放電的兩極。陽極是鍍料。

弧光放電主要在管口部位產(chǎn)生。該部位在離子轟擊下溫度高達(dá)2500K左右，于是放射電子使弧光放電得以維持。HCD槍引出的電子束初步聚焦后，在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，束直徑收縮而聚焦在坩堝上。

HCD槍既是鍍料的氣化源也是蒸發(fā)粒子的離化源。由于帶電粒子密度大，而且具有大量的高速中性粒子，所以離化率較高，實(shí)際測(cè)量的金屬離化率是20％～40％

60空心陰極離子鍍廣泛用于鍍制高速鋼刀具TiN超硬膜。鍍膜時(shí)基片所加偏壓不高〔20～50V〕，可防止刀具刃部受到離子嚴(yán)重轟擊而變鈍，或過熱而回火軟化。轟擊基片的離子能量為數(shù)十電子伏，這已遠(yuǎn)超過外表吸附氣體的物理吸附能0.1—0.5eV，也超過了化學(xué)吸附能1～10eV，因而能起清洗的作用。這樣的離子能量還可防止膜層因嚴(yán)重濺射而變得粗糙和降低鍍膜速率?？招年帢O離子鍍特點(diǎn)61〔2〕多弧離子鍍多弧放電蒸發(fā)源是在70年代由前蘇聯(lián)開展起來的。美國(guó)在1980年從蘇聯(lián)引進(jìn)這種技術(shù)，至今歐美一些公司都在大力開展多弧離子鍍技術(shù)。近十幾年來國(guó)內(nèi)引進(jìn)多臺(tái)鍍制TiN超硬膜的設(shè)備，其中大多數(shù)是多弧離子鍍裝置。62這主要是由于鍍制品種單一的刀具時(shí)，多弧離子鍍的生產(chǎn)率較高，

而空心陰極離子鍍的特點(diǎn)是適應(yīng)多品種、小批量的生產(chǎn)。63多弧離子鍍?cè)韴D多弧離子鍍是采用電弧放電的方法，在固體的陰極靶材上直接蒸發(fā)金屬，這種裝置不需要熔池，其原理如圖

64電弧的引燃是依靠引弧陽極與陰極的觸發(fā)，弧光放電僅僅在靶材外表的一個(gè)或幾個(gè)密集的弧斑處進(jìn)行?；“叩闹睆皆?00μm以下?；“叩碾娏髅芏葹?05～107A／cm2，溫度高達(dá)8000～40000K?；“邊^(qū)域內(nèi)的材料瞬時(shí)蒸發(fā)并電離，其中還夾雜著液滴?；“咴陉帢O靶外表上以每秒幾十米的速度作無規(guī)那么運(yùn)動(dòng)，使整個(gè)靶面均勻地消耗。這種冷陰極多弧放電，依靠弧斑產(chǎn)生的鍍料蒸氣即可維持，不必通入氬氣為工作氣體。65弧斑噴出的物質(zhì)包含有電子、離子、原子和液滴。其中原子只占物質(zhì)總量的1％～2％，而大局部是離子。例如銅靶產(chǎn)生的離子占30%～40％，鉬靶占80％～90％。陰極材料假設(shè)是Pb，Cd，Zn等低熔點(diǎn)金屬，其離子是l～2價(jià)的；金屬的熔點(diǎn)較高，多價(jià)的離子比例就越大，Ta，W等高熔點(diǎn)金屬的離子有5