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多弧離子鍍在不銹鋼板上沉積TiN的均勻性研究

發(fā)布時間：2019-04-08

　　多弧離子鍍是為了獲得良好的繞射性而開發(fā)出來的一種鍍膜工藝，這種工藝可以用來制備金屬膜、合金膜、化合物膜及多層結(jié)構(gòu)膜。由于該技術(shù)具有較高的金屬離化率和較高的離子能量，因而可以提高涂層的均勻性和附著性，目前已經(jīng)成為沉積TiN裝飾膜的最佳工藝。

　　多弧離子鍍沉積TiN，其實質(zhì)是在一般的多弧離子鍍過程中引入化學(xué)過程，即在蒸發(fā)金屬鈦的同時導(dǎo)入能與金屬鈦發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氮氣，使其與蒸發(fā)出來的鈦混合成等離子體，在較低的溫度下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在基片上形成化合物的沉積層。

　　多弧離子鍍雖然具有良好的繞射性，可以鍍各種形狀的裝飾品，但要在建筑裝飾用的大面積不銹鋼板基片上得到均勻的TiN涂層，并不是件容易的事，需要在鍍膜工藝參數(shù)的選擇上做許多文章。

　　1、問題的提出

　　用磁控濺射的方法在大面積基片上成膜，為了獲得令人滿意的均勻性，要求靶的橫向?qū)挾却笥诨膶挾龋以诨膶挾确较蛏习惺且粋€連續(xù)的整體。而多弧離子設(shè)備各弧在空間上是不連續(xù)的弧與弧之間有一定的距離，如果設(shè)備的硬件部分調(diào)整不當(dāng)，或者作為設(shè)備軟件的工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，就有可能使基片在正對著弧的部分和弧與弧之間的部分顏色出現(xiàn)較大差異，正對著弧的部分顏色深（或淺），弧與弧之間的部分顏色淺（或深），形成一條條深淺相間的條紋，俗稱“斑馬紋”，使產(chǎn)品的裝飾性下降，甚至成為次品。
　　離子鍍不銹鋼板出現(xiàn)均勻性問題，有硬件和軟件兩方面的影響因素，現(xiàn)分別進行討論。

　　2、硬件方面的影響因素

　　2.1 弧與基片間的距離

　　弧與基片間的距離對離子鍍涂層的均勻性影響較大。弧基距過小，粒子在到達基片之前的碰撞次數(shù)太少，散射作用減弱，涂層的均勻性下降；弧基距過大，不僅浪費空間，增加不必要的排氣時間，而且使粒子到達基片時能量過小，涂層的牢固度又下降。理論和實驗均證明，當(dāng)弧基距在200mm以上時，即可達到希望的膜厚均勻性。

　　2.2 磁場強度

　　磁場強度與涂層的均勻性關(guān)系密切，眾所周知，在弧源系統(tǒng)中設(shè)置磁場可以改善電弧源的性能，使電弧等離子體加速運動，增加陰極發(fā)射電子和離子的數(shù)量，提高束流的密度和定向性，減少微小溶滴的含量，但是磁場的強度要適中，過強會使粒子流過于集中，涂層的均勻性下降；過弱又容易造成熄弧，達不到穩(wěn)定電弧的作用。 　　實驗表明，源材表面磁場強度的最大水平分量在20~35Gs時為最佳，使用前所有弧源材表面的磁場強度需要用高斯計統(tǒng)一調(diào)整一致，隨著源材的消耗，源材表面因距磁鐵距離變小而使磁場強度增大，所以有必要根據(jù)源材的消耗情況定期調(diào)整其表面的磁場強度，對于表面形態(tài)缺陷嚴重的源材要進行重新加工。

　　3、軟件方面的影響因素

　　3.1 氣體壓力

　　離子鍍工藝過程中氣體壓力對涂層的均勻性影響較大，一般來說，氣體壓力越高，離子的繞射性越好，涂層的均勻性也越好，但是壓力過高也會降低粒子到達基片時所攜帶的能量，影響涂層的附著強度。實驗證明，離子鍍在大面積不銹鋼基片上沉積TiN的最佳氮氣分壓在3.0*10-1~1Pa之間。

　　3.2 基片偏壓

　　在基片上設(shè)置負偏壓可以提高入射粒子的速度，使基片獲得較大的能量，從而增強涂層與基片之間的附著強度，但是過高的偏壓會使粒子來不及散射即被吸引到基片上，使涂層的均勻性下降，離子鍍沉積TiN膜的偏壓在50~100V之間較好。

　　3.3 電弧電流的大小

　　電弧電流的大小反映膜材的蒸發(fā)速率。實驗證明，當(dāng)電弧電流增大時涂層的均勻性會下降，這是因為未散射的粒子在基片上沉積，并且沉積在正對著弧源處的幾率增大的緣故，然而從提高生產(chǎn)效率來說，希望電弧電流越大越好，這就要求我們做出折中的選擇，另外對于源材面積不同的設(shè)備，參數(shù)的選擇也會不同，對于源材直徑為65mm的弧，電弧電流應(yīng)在50~100A之間。

　　3.4 基片溫度

　　基片溫度對于離子鍍涂層均勻性的作用，主要在于清除真空室內(nèi)的水分和提高膜層的附著性，真空室內(nèi)的水分是導(dǎo)致涂層出現(xiàn)斑馬紋的一個很重要的原因，特別是對于真空室體有水冷夾層的設(shè)備，夏天空氣中濕度較大，常壓下在冰冷的真空室內(nèi)壁上很容易凝結(jié)水汽，這就是水汽存在的主要原因，另外，清洗后的基片烘干不徹底也會把水分帶進真空室，水份被加熱變成蒸汽后，一方面易引起基片對真空室體的放電，燒傷基片表面(另一方面在電弧的作用下會分解出氧，而氧與鈦的反應(yīng)比氮更快，這必然會造成涂層成分的變化，從而導(dǎo)致涂層顏色的不均勻，基片的溫度應(yīng)在120℃~200℃之間，因為溫度過高會給裝卸基片造成困難，降低生產(chǎn)效率，另外，在破壞真空時關(guān)閉真空室的冷卻水和保持真空室內(nèi)的溫度，在很大程度上可以改善這種狀態(tài)。

　　4、結(jié)語

　　為了獲得附著性好N涂層均勻的離子鍍涂層，調(diào)整好設(shè)備有關(guān)的硬件部分和選擇好作為設(shè)備軟件的工藝參數(shù)十分重要，對于不同結(jié)構(gòu)的設(shè)備，應(yīng)綜合考慮各種因素，統(tǒng)一調(diào)節(jié)各種工藝參數(shù)，找到對應(yīng)于該具體設(shè)備的最佳工藝條件。

　　另外，工件的鍍前清洗及反應(yīng)氣體的純度對涂層的均勻性也有較大影響，因為這兩方面一般均能引起足夠的重視，而且獲得良好的清洗效果（使用超聲波清洗設(shè)備）和高純度的氮氣比較容易，所以不在本文的討論范圍之內(nèi)。

　　最后給出直徑為1500mm，長為3500mm，24個弧源的多弧離子鍍膜設(shè)備，在3000mm*1000mm不銹鋼板上沉積TiN涂層的典型工藝參數(shù)，以供同行們探討。


　　

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