现代离子镀膜技术
2024-02-29 13:07:29 0 举报AI智能生成
现代离子镀膜技术思维导图
作者其他创作
大纲/内容
真空物理
真空分类
低真空 1*10E2 - 1*10E5 Pa 机械泵，滑阀泵，旋片泵，螺杆泵
中真空 1*10E-1 - 1*10E2 Pa 增压泵，罗茨泵
高真空 1*10E-5 - 1*10E-1 Pa 扩散泵，分子泵
超高真空泵 1*10E-8 - 1*10E-5 Pa 吸附泵，溅射泵
1 ATM=1 bar=1*10E3 mbar=1*10E5 pa
真空计
Pirani 电阻式 大气压 - 10E-4mba 不同气体影响精度 充气使用
Baratron 电容式 大气压 - 5*10E-5mbar 不受气体种类影响 制程中使用
Penning 电离式 10-2 - 5*10E-9mbar 抽真空使用
气体分子和固体表面的相互作用
1.碰撞
2.物理吸附和解吸 吸附力为范德瓦尔斯力 吸附同时放热，需提供吸附热以解吸
3.化学吸附和脱附 固体表面原子键未饱和时，可形成化学吸附，比范德瓦尔斯力大，离子镀膜过程中，容器壁和工件上吸附的杂质气体在镀膜过程中会不断解吸放出，影响膜层纯度和附着力，所以镀膜前，进行烘烤或离子溅射清洗
4.蒸发和升华 蒸发和凝结速度平衡时气体压强为饱和蒸气压 真空度和蒸发温度成反比
阴极表面电子发射
价电子为整个晶体共有，价电子在具体中自由运动
偶电层力 电子在金属表面飞出飞回，在金属表面形成偶电层，偶电层排除进入其中的电子，偶电层产生的势垒高度称为费米能级
电象力 金属与电荷的作用像金属内部同样距离有一个符号相反，大小相同的电荷存在
势垒 = 费米能级+逸出功 能量大于势垒的电子才能从金属表面逸出
金属热电子发射 发射电流密度同温度平方成正比，有外加电场时，热电子可以在更低的温度下发射
冷场致发热 场致发射电流密度同电场强度成正比，极间距离越短，电场强度越大，在阴极表面形成正离子堆积层，堆积层和阴极距离小于微米级时，电场强度E增大到可以冷场致发射，凸起处距离最近，发生击穿，产生冷场致电子发射流
光电子发射 光照射下发射出来的电子称为光电子，光电子的动能随着光频率的升高而直线增加
二次电子发射 电子离子或其他粒子轰击阴极表面发射出来的电子称为二次电子，引发二次电子发射的粒子称为原粒子，轰击电子产生二次电子数，随轰击电子能量上升，先增大再减小。正离子轰击阴极发射二次电子的过程是维持气体放电的基本过程。
等离子物理基础
等离子体 离子电子高能中性原子的集合体
按气体电离程度分类
完全电离
部分电离
弱电离
按电子和重粒子的能量分类
热等离子体
低温等离子体 非平衡等离子体/冷等离子体 电子温度数万摄氏度，离子和其他粒子温度较低
辉光，射频，弧光放电均属低温等离子体
辉光，射频，弧光放电均属低温等离子体
等离子体的获得方法
利用粒子热运动
利用电磁波能量 光，X射线，γ5射线照射
利用接触电离
利用电子与离子混合
利用高能电子与气体产生碰撞电离 电子在电场的作用下加速，获得足够的能量，与中性粒子碰撞使气体电离获得等离子体，
放电形式有电晕放电，辉光放电，弧光放电
放电形式有电晕放电，辉光放电，弧光放电
气体的激发和电离
带电粒子的运动状态
热运动 电子和离子动能相同，速度平方同质量成反比
迁移运动 电场作用下，带电粒子向异性电极的运动称为迁移运动
扩散运动 沿浓度降低的方向运动 真空度越低，碰撞次数越多，扩散运动越慢
粒子间的碰撞
非弹性碰撞 重粒子传递一半能量，电子将全部
能量传递，使之激发成为受激原子或电离成离子
能量传递，使之激发成为受激原子或电离成离子
基态 电子受原子核的束缚在不同能级轨道做旋转运动
电子在电场作用下获得的能量=eU
激发 低能轨道电子吸收入射电子能量，跃迁至高能级轨道，
该入射电子在电场中经过的电位差称为激发电位
该入射电子在电场中经过的电位差称为激发电位
谐振激发 10E-8 - 10E-6s内放出能量，激发发光
亚稳激发 10E-4至数秒内放出能量，可与气体原子
发生碰撞传递一半能量，也可以再获得能量，电离
发生碰撞传递一半能量，也可以再获得能量，电离
电离 电子与气体碰撞产生电离称第一类非弹性碰撞， 电离概率由于电离需一定能量交换时间，
随入射电子能量增加，先升高再下降，辉光放电1000V以上，弧光放电20-70V
随入射电子能量增加，先升高再下降，辉光放电1000V以上，弧光放电20-70V
第二类非弹性碰撞
其他因素造成的激发和电离
其他因素造成的激发和电离
正离子造成的转荷过程 正离子能量有限，引起电离概率很小，多数碰撞进行转荷，
产生电荷交换而无能量交换，转荷是产生离子和高能中性原子的重要来源之一
产生电荷交换而无能量交换，转荷是产生离子和高能中性原子的重要来源之一
亚稳原子累计电离
亚稳原子能量传递给电子
亚稳原子与常态原子能量交换，形态交换
潘宁效应 气体离子或亚稳原子与固体原子碰撞，气体离子变为常态，固体原子电离，
气体电离电位和激发电位比金属高很多，容易产生潘宁效应
气体电离电位和激发电位比金属高很多，容易产生潘宁效应
亚稳原子与化合物气体分子作用，使化合物分子离解为基元粒子
热电离 3000K以上时，高速原子碰撞引起热激发和热电离
光电离 光子能量大于分子的eU，可以产生光致激发 只有短波长的紫外光，X射线，
γ射线和激光才能引起光电离，光致激发的概率远大于光致电离，金属发光多源于
金属吸收了光子的能量后产生跃迁，又跳回时发出能量光，波长不同，颜色不同
γ射线和激光才能引起光电离，光致激发的概率远大于光致电离，金属发光多源于
金属吸收了光子的能量后产生跃迁，又跳回时发出能量光，波长不同，颜色不同
弹性碰撞 重粒子碰撞传递能量的一半，电子和重粒子碰撞，几乎不损失能量
通过频繁碰撞，不再是刚蒸发出来的金属携带的2000℃以下的热能（0.2eV）, 而是1-100eV的活性基团-等离子体
附着和离脱
附着 电子被原子分子捕获形成负离子，惰性气体和金属原子形成的负离子非常不稳定，卤素元素获得一个电子将外层电子层填满时，成为稳定负离子
离脱 电子从负离子放出的过程
定义中性原子和负离子能量差为亲和势，单位eV
消电离 电子与离子在空间，器壁或进入电极而消失，复合后放出能量加热器壁
气体放电中的发光分激发发光和电离发光
气体放电
雪崩放电 接通阴阳极电源，空间中原有电子在电场下加速，碰撞中性气体分子使之电离，离子向阴极运动，电子向阳极运动，进一步产生更多碰撞电离，形成电子繁流过程，非自持
自持放电 正离子从阴极表面激发二次电子，二次电子向阳极运动与气体碰撞，产生正离子，正离子加速到达阴极激发出又一个二次电子
气体的点燃条件 电子携带的能量大于气体电离能，放电电压是气压与级间距离，气体的巴邢曲线有最小值，最低点燃电压。一旦产生气体放电，放电电压会陡降到维持自持放电的电压，说明引燃电压不是最低点燃电压，铁基材料用氩气放电的点燃电压约265V
伏安特性曲线
非自持暗放电区 雪崩式汤生放电，电压增大，电流微增
自持暗放电区 B点电压为击穿电压Vb，高于点燃电压Uzmin，微弱发光，电压不变，电流增加
过渡区 电压陡降，电流突增 阴极发出较强辉光
正常辉光放电区 Uzmin，维持稳定正常辉光放电电压，减小限流电阻，起辉面积增加，电压不变，电流增加
异常辉光放电区 阴极斑覆盖整个阴极表面时，电压增加，电流也增加 磁控溅射，PECVD一般在异常辉光放电区
辉光向电弧放电过渡区 G点时，阴极电流密度很大，局部阴极加热到很强的热电子发射过程，电阻减小，电压陡降，电流突增，过渡为弧光放电
稳定弧光放电区 电压为20-70V，电流密度100A/cmE2以上
辉光放电 产生激发及复合发光
阴极位降 离子速度慢，堆积在阴极附件，形成等效阳极 场强E=U/d，场强增加，Uz将降至Uzmin，
放电进入稳定辉光放电区，阴极位降区宽度dc同P成反比，d=dc时，级间只存在阴极位降区，d＜dc时，放电熄灭
放电进入稳定辉光放电区，阴极位降区宽度dc同P成反比，d=dc时，级间只存在阴极位降区，d＜dc时，放电熄灭
两级间明暗相间发光层
阿斯顿暗区 电子被离子激发，能量小
阴极辉光 加速后能量足够激发发光
阴极暗区
负辉区 能量较高，产生电离/激发，发光最强
法拉第暗区 在负辉区失去能量
正柱区 电子密度和正离子密度相等，等离子体区，传导电流
阳极暗区
阳极辉光
空心阴极辉光叠加 两电极间电子来回震荡，增加了碰撞概率
射频放电 电子在两级间来回震荡，
离子速度慢，频率很高时视为静止
离子速度慢，频率很高时视为静止
有利于镀绝缘膜 绝缘膜阻挡正离子进入阳极，形成正离子堆积，造成击穿打火，
阳极绝缘膜阻挡电子进入阳极，造成阳极消失，使用射频电源时，上半个周期
阴极上累积的正电荷将在下半个周期被电子中和
阳极绝缘膜阻挡电子进入阳极，造成阳极消失，使用射频电源时，上半个周期
阴极上累积的正电荷将在下半个周期被电子中和
高频电极自偏压 离子速度慢造成累积，高频电极在每个周期大部分时间处于
负电位，起到直流辉光放电中阴极位降的作用
负电位，起到直流辉光放电中阴极位降的作用
微波放电 电子与氩原子发生弹性碰撞并改变方向瞬间，电场换向，使 电子持续加速，产生大量电离
弧光放电
按放电气压分
高气压弧光放电 100pa以上，热平衡
低气压弧光放电 100pa以下，真空电弧 弧柱中电子温度高达10E4-10E5K，重粒子温度略高于环境温度 非平衡等离子体
弧光放电形式
热弧光放电 当金属表面温度很高，电子能量高于
逸出功时，电子发射，热电子流密度很大形成阴极
弧光放电，依靠阴极稳定发射热电子维持，热电子
流密度同温度平方成正比
逸出功时，电子发射，热电子流密度很大形成阴极
弧光放电，依靠阴极稳定发射热电子维持，热电子
流密度同温度平方成正比
空心阴极弧光放电 数百伏电压点燃气体，产生空心阴极辉光放电，
大量氩离子轰击阴极表面，发射热电子流，产生弧光放电 属于自
持热阴极弧光放电
大量氩离子轰击阴极表面，发射热电子流，产生弧光放电 属于自
持热阴极弧光放电
热丝弧枪弧光放电 低压大电流将钨丝加热，发射高密度电子，通入
氩气，接通弧电源，热电子流将氩气电离，又产生大量电子，射向阳极
氩气，接通弧电源，热电子流将氩气电离，又产生大量电子，射向阳极
冷场致弧光放电
带电粒子的作用
离子的作用
正离子激发二次电子发射 维持自持放电必要条件
正离子轰击加热阴极 60%以上能量转化为热能，使阴极升温，离子轰击使工件升温，
有利于膜层原子扩散，改善膜层组织，在溅射镀膜中，靶阴极需要良好冷却，否则靶材会分解融化
有利于膜层原子扩散，改善膜层组织，在溅射镀膜中，靶阴极需要良好冷却，否则靶材会分解融化
气体离子产生阴极溅射作用
如氩离子轰击靶材溅射
如氩离子轰击靶材溅射
溅射系数与入射粒子能量 随入射粒子能量增加，先由于地域阈值不变再增加再减少，
减少是由于离子注入晶格内部，大部分能量损失在靶材内部
减少是由于离子注入晶格内部，大部分能量损失在靶材内部
溅射系数与压强 随P增加而减少，气体分子数逐渐增加，发生散射 溅射出的粒子能量
比蒸发出的粒子能量大1-2个数量级 为5-10eV
比蒸发出的粒子能量大1-2个数量级 为5-10eV
离子注入 入射离子能量大于30000eV时，深入靶材，增加了阴极表面晶体缺陷，
注入速度为5-10nm/keV，是材料表面改性重要手段
注入速度为5-10nm/keV，是材料表面改性重要手段
激发出粒子，可以进行质量仪器分析
电子的作用
电子轰击二次电子发射
轰击阳极加热
激发出俄歇电子，X射线
带电粒子的运动
静电场中的运动 1/2mvE2=eU
径向电场中圆周运动
磁场中的运动 洛伦兹力
薄膜的初始制备技术
PVD 利用热源将固态物质源加热蒸发，用热能将金属蒸发（升华）
出来的金属蒸汽原子在高真空中运输到基材表面沉积形成薄膜。
出来的金属蒸汽原子在高真空中运输到基材表面沉积形成薄膜。
真空蒸发镀
电阻
在高真空中蒸气原子在工件表面形核，成长成膜
高真空，10E-5 - 10E-3 pa，分子自由程1-10m，远大于蒸发距离，径直飞向工件，避免多次撞击损失能量
绕镀性差，工件侧面，背面几乎没有膜层
蒸发温度为1000-2000℃，金属原子能量0.1-0.2eV，能量低，结合力小，很难形成化合物涂层
组织细密
金属蒸发温度随气压降低而降低
分馏现象 选用合金膜料时，低熔点金属先蒸发
克服分馏现象，采用瞬时蒸发，或采用多蒸发源
电子枪
蒸发高熔点金属或蒸发速度要求高时采用电子枪蒸发源
灯丝阴极用钨丝，低压大电流负极，电子束流在高压电场作用下，加速轰击，动能转化为热能，将金属蒸发
e型电子枪在磁场作用下偏转，正离子方向与电子相反，避免正离子对膜层污染
高频感应加热
激光蒸发镀
生长规律
形核-生长
真空度越低，碰撞频繁，在空间集结成原子团，到达工件后很难扩散迁移，形成粗大岛状晶核
真空度低，工件表面吸附一层残余气体，膜基结合力低
工件温度超过被镀材料再结晶温度时，获得再结晶等轴晶，控制工件温度，可得所需组织
点蒸发源，平面工件卡具中心处比边缘厚度大，可设计球面工件卡具
工艺过程
抽真空 开启机械泵抽至2pa，打开扩散泵或分子泵抽至5*10E-3pa
烘烤加热工件
轰击净化工件 充入氩气，真空度2-3pa，另设轰击电源，辉光放电，氩离子在镀膜室内无规则运动，
对工件进行溅射，刻蚀，轰击电压1000-3000v，轰击20min，关闭氩气，抽真空至6*10E-3pa
对工件进行溅射，刻蚀，轰击电压1000-3000v，轰击20min，关闭氩气，抽真空至6*10E-3pa
镀膜
冷却取出工件
CVD 利用热能将通入的无机物气体热分解成活性原子，在高温的基材表面化学反应沉积形成薄膜
HCVD 热化学气相沉积
1000℃高温下气体热分解成活性原子，高温下获得能量在工件上形成化合物
高温下进行，膜基结合力好
膜层均匀性好于PVD
设备结构简单
废气较多，必须进行防护处理
沉积温度高，不利于低回火温度的金属工件
MOCVD 金属有机化合物气相沉积
ALD 原子层沉积
高分子有机聚合 气体有机物单体在高温，高压和引发剂作用下聚合得到高分子聚合物
现代离子镀膜
PEPVD Plasma Enhanced Physica Vapor Deposition
蒸发型
直流二级型离子镀
离子镀工件接偏压负极，蒸发电极接正极
工艺过程
抽真空 开启机械泵抽至2pa，打开扩散泵或分子泵抽至5*10E-3pa
轰击净化工件 充入氩气，真空度2-3pa，工件负偏压1000-3000v，轰击20min
镀膜 开启电阻蒸发电源，蒸发出的金属原子在放电空间电离成离子，在负偏压作用下加速到达工件表面
冷却至120℃通入空气取出工件
粒子能量 离化率低于3%，但经过多次碰撞能量传递，中性原子能量能达到0.03-225eV，含有大量高能中性原子
低真空度，保证碰撞发生电离激发及产生高能中性粒子，真空度1-2pa，气体分子自由程在毫米级，
施加负偏压和低真空是离子镀和蒸发镀的本质区别
施加负偏压和低真空是离子镀和蒸发镀的本质区别
二级型离子镀中
高能离子作用
高能离子作用
边成膜边轰击清洗，清除表面残余气体和污染层，有利于提高结合力
提高致密度，对已沉积膜层夯实
一边溅射，一边镀膜，击碎不牢膜层
溅射出的工件离子返回工件，形成过渡层 - 伪扩散层，
分散了膨胀系数不同产生的应力，提高了结合力
分散了膨胀系数不同产生的应力，提高了结合力
沉积速度需大于反溅射速度，初期采用高偏压，使表面净化并产生共混层，然后降低偏压
高能金属离子加速到达工件，对工件加热
碰撞多，绕镀性好
离子能量高，不会在空间凝结层大晶核，而是以细小粒子状态流向工件
低真空度时，需较高偏压消除柱状晶，高真空度时，对偏压要求降低
优缺点
优点 膜基结合力大，组织细密，绕镀性好，结构可控
缺点 膜层粒子能量过高，对基材组织产生一定损伤，不适于低温基材；点状蒸发源，镀膜范围小
活性反应离子镀膜
热阴极离子镀膜
增强型活性反应离子镀膜
热弧光放电
离子镀
离子镀
空心阴极
工艺过程
抽真空 抽至5*10E-3pa
充入氩气，真空度100pa
开启偏压 由于电流密度大，偏压只需50-200V
开启弧电源，辉光放电，放电电压800-1000v，引弧电流30-50A，由于空心阴极效应，
辉光放电电流密度大，高密度氩离子轰击钽管壁，迅速升温发生电子流，突变为弧光放电，
电压40-70v，电流80-300A，钽管温度2300K以上，呈白炽光状态，从钽管发射出高密度
电子流，射向阳极
辉光放电电流密度大，高密度氩离子轰击钽管壁，迅速升温发生电子流，突变为弧光放电，
电压40-70v，电流80-300A，钽管温度2300K以上，呈白炽光状态，从钽管发射出高密度
电子流，射向阳极
辉光放电真空度100pa，迅速减少通入氩气，真空度降为适合镀膜的8*10E-1 - 2Pa
镀钛底层 电子流射向阳极坩埚钛金属，动能转换为热能，钛金属蒸发
通入氮气，氮气和钛原子电离为钛离子和氮离子，离化率高达20%-40%，沉积层氮化碳膜，
空心阴极既是蒸发源，又是离化源
空心阴极既是蒸发源，又是离化源
冷却至120℃通入空气取出工件
热丝弧
工艺过程
将钽丝加热至2300K以上，发射电子流，向热丝弧枪室通入氩气，向阳极发射出高密度电子流
弧柱，弧电压50V，弧电流150-200V
弧柱，弧电压50V，弧电流150-200V
弧电源正极接工件，弧光电子流射向工件，轰击加热工件
清洗工件，弧电源正极接坩埚周围的辅助阳极，工件接偏压负极200V，偏流10A，热丝弧发射
的电子流射向辅助阳极过程中将氩气电离，氩离子轰击清洗工件
的电子流射向辅助阳极过程中将氩气电离，氩离子轰击清洗工件
弧电源正极接坩埚，通入氮气，金属加热蒸发，氮气和钛原子电离，到达工件生成TiN
加热，清洗，镀膜过程中，不断调节电磁线圈电流改变电子旋转半径
电子流同蒸发出的金属原子相向运动，增加了碰撞概率，离化率40%
电子枪发射弧光电子流，完成工件加热，工件清洗和镀膜
阴极电弧离子镀
冷场致弧光放电
冷场致弧光放电
小弧源
每个小弧源配一个引弧针和一个弧电源，两极间施加很高电压也很难自然发生击穿放电，必须设置引燃装置
引燃后，靶面产生正离子堆积，形成等离子体鞘层，等效阳极同靶面场强达10E6 - 10E8V/cm，场强大于
靶材电子逸出功造成击穿，靶面发射大量电子流，正离子进入阴极，击穿点面积只有10E-6 - 10E-4mm²
靶材电子逸出功造成击穿，靶面发射大量电子流，正离子进入阴极，击穿点面积只有10E-6 - 10E-4mm²
放电电流100A，电流密度达10E6 - 10E8A/平方毫米，微弧能量密度达（1-3）*10E5W/mm²，
击穿点加热蒸发，既有金属蒸汽也有10微米熔滴
击穿点加热蒸发，既有金属蒸汽也有10微米熔滴
小弧源连接弧电源负极，空载电压70-120v，放电电压18-28v，弧电流80-300A
击穿点高密度的电子和离子复合，形成刺眼的光芒，称为弧斑
引弧装置引燃弧光放电，形成初始等离子体鞘层，引弧电路切断，弧电源维持阴极电弧源和镀膜室间的稳定
放电，电弧弧斑在靶面上迅速移动，从弧斑处蒸发出膜层材料，工件上沉积形成膜层。引弧方式有电磁牵引
机械引弧，气动引弧，激光引弧，高压脉冲引弧。
放电，电弧弧斑在靶面上迅速移动，从弧斑处蒸发出膜层材料，工件上沉积形成膜层。引弧方式有电磁牵引
机械引弧，气动引弧，激光引弧，高压脉冲引弧。
凸起处正离子堆积层和阴极距离近，电场强度大，凸点处发生击穿，产生冷场致电子流，融化区域形成融池，
电场强度降低，场致发射停止，在另一凸起点产生冷场致电弧
电场强度降低，场致发射停止，在另一凸起点产生冷场致电弧
带电粒子能量在10-100eV，离化率达60%-90%
工艺过程
轰击清洗 通入氩气真空度为2*10E-2pa，开启脉冲偏压电源，占空比20%，工件偏压800-
1000V，开启弧电源后产生冷场致弧光放电，钛离子和氩离子在在负偏压作用下高速射向
工件，轰击清洗1min
1000V，开启弧电源后产生冷场致弧光放电，钛离子和氩离子在在负偏压作用下高速射向
工件，轰击清洗1min
钛底层 为提高结合力，镀钛底层，真空度调至5*10E-2 - 3*10E-1pa，偏压400-500V，
占空比40-50%，逐个引燃小弧源，偏压降低，溅射作用小于沉积作用
占空比40-50%，逐个引燃小弧源，偏压降低，溅射作用小于沉积作用
镀氮化碳 真空度3*10E-1 - 5pa，偏压100-200V，占空比70-80%，通入氮气沉积氮化碳
技术发展
永磁场控制弧斑运动
电磁场加速弧斑运动
电磁偏转型磁过滤阴极电弧源
厚度降低，20mm，水冷效果好
矩形平面大弧源
背后装有电磁线圈，连续改变磁场电流可使弧斑在靶面上连续扫描
弧电流100-300A，弧电压为20-30V，只需配一个引弧针和弧电源
厚度15-20mm，冷却水快速带走靶面热量
Hauzer采用热丝弧枪发射弧光电子流，对工件进行清洗
柱状阴极电弧源
旋磁型柱状
旋靶管型
外装电磁线圈型
特殊要求
必须使用引弧装置
磁场设置，如无磁场，产生自由弧，弧斑粗大，膜层中大熔滴
靶面周围阴极必须屏蔽，避免侧边和绝缘件接触的地方产生弧光放电，产生的热量使绝缘件融化，
或由于绝缘件表面镀上金属，造成击穿，会使电弧在某一点连续燃烧，甚至融化烧穿，使镀膜不能进行。
或由于绝缘件表面镀上金属，造成击穿，会使电弧在某一点连续燃烧，甚至融化烧穿，使镀膜不能进行。
屏蔽罩和靶材间间隙小于1.2mm，且间隙均匀，否则在大间隙处出现窜弧，间隙深度不小于10mm
特点
大熔滴
离化率60%-90%，容易获得氮化碳等化合物膜层
离化率高，偏压作用下，沉积速度快
便于镀多层膜
生产率高 固态蒸发源，便于靶材布置
脉冲偏压
电源应用
电源应用
直流偏压缺点
500摄氏度左右，不适合低回火温度的工件
膜层内应力大，沉积厚膜困难
膜层组织粗，有大熔滴
直流偏压电源灭弧速度慢
脉冲偏压
通电时间占脉冲周期的比例-占空比
主弧轰击清洗阶段 800-1000v，占空比20%，用高能量钛离子轰击清洗工件，
即便工件上有造成打弧的污染物，也不产生连续打弧
即便工件上有造成打弧的污染物，也不产生连续打弧
轰击加热阶段 偏压400-500v，占空比40%，用较低能量钛离子轰击加热，
缓慢实现均匀加热，调整占空比，适应低回火温度工件
缓慢实现均匀加热，调整占空比，适应低回火温度工件
镀膜阶段 偏压150-200v，占空比80%，通入氮气，真空度3*10E-1，
大熔滴减少，间断接受离子轰击，松弛膜层生长过程中的应力
大熔滴减少，间断接受离子轰击，松弛膜层生长过程中的应力
阴极溅射型
二级型溅射镀膜
靶材靶电源负极，工件接靶电源正极
真空度抽至6*10E-3pa，充入氩气，真空度保持10pa，接通靶电源，靶面辉光放电，氩气被电离
氩离子轰击靶材，克服范德瓦尔斯力将靶材原子溅射下来传输到工件
电流密度低，1mA/cm²，溅射速率低1-40nm/min
三级溅射 在二级溅射基础上，增加热阴极和加速阳极，增加电子流，提高离化效率
四级溅射 镀膜室外加电磁线圈，使电子做螺旋线运动，提高放电电流
射频溅射 克服靶中毒和阳极消失，溅射绝缘膜
磁控溅射
平面靶
工艺过程
轰击清洗工件 镀膜室充入氩气，放电电压1000v，接通电源产生辉光放电，氩离子清洗工件
镀氮化碳 靶电压400-500v，氩气通入量固定，控制真空度（3-8）*10E-1pa，
氩离子轰击靶材溅射钛原子，工件接偏压电源负极，100-200v
氩离子轰击靶材溅射钛原子，工件接偏压电源负极，100-200v
通入氮气，钛原子和氮原子被电离，在偏压作用下，到达工件表面反应沉积氮化碳膜层
靶材后设置永磁体，磁力线由中间向两边，背后的磁极性被磁极靴短路
电子在磁场作用下做旋轮线运动
磁力线最高点的水平磁场分量最大，碰撞电离最激烈，靶面放电不均匀
没有磁场时，靶面布满辉光，但亮度低
靶材越薄，凹陷处的磁力线越容易穿过靶面，磁通量越大，电子密度越大，
直流磁控溅射电源平面溅射靶材利用率30%左右
直流磁控溅射电源平面溅射靶材利用率30%左右
柱状靶
旋磁型
旋靶管型
靶材利用率80-90%
不容易靶中毒，靶面始终受到氩离子溅射刻蚀
比阴极电弧离子镀膜层细密，比空心阴极和热丝弧离子镀膜比，是大面积镀膜源，
可以镀大零件，和真空蒸发镀比，膜层粒子能量大，膜基结合力好，组织细密无针孔
可以镀大零件，和真空蒸发镀比，膜层粒子能量大，膜基结合力好，组织细密无针孔
靶材利用率低，比阴极电弧离子镀结合力低
辉光放电中进行，离化率10-15%，难以沉积化合物膜层
镀绝缘膜时，容易产生靶中毒，出现打弧，阳极消失
平衡磁控溅射靶 远离靶面的地方磁场强度迅速降低，大于90mm靶基距时几乎镀不上膜
非平衡磁控溅射靶
多靶间磁极性反向排列
增加电磁线圈
PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
直流辉光
工艺过程
通入反应气体，真空度10-200pa
工件接直流电源负极，电压1500-1800v，工件表面产生辉光，电流密度2-4mA/cm²
反应气体分解，解离，电离，500℃温度下在工件上化合反应生成化合物涂层
高能电子使气体分子分解成原子，电子提供能量需高于分解能
分解的原子被高能电子激发离化
等离子体容易发生化合反应
特点
降低形成化合物的温度
比普通热化学气相沉积沉积效率高，反应主要集中在阴极表面
可控制参数多
直流PECVD容易出现工件打弧，可采用脉冲电源同直流电源联合供电，脉冲电源高电压，
低占空比，灭弧。直流电保持低电压，维持PECVD供电需求
低占空比，灭弧。直流电保持低电压，维持PECVD供电需求
直流脉冲
射频
微波
大气压辉光放电PECVD
弧光PECVD
PEP Plasma Enhanced Polymerization
应用
装饰薄膜
非透明材料对可见光谱吸收特性产生的本征颜色
金色 TiN，ZrN
黑色 DLC，TiC，W-C
银色 CrN
透明或轻微吸收薄膜材料的多重反射而产生的干涉颜色
硬质涂层
二元氮化物 TiN高硬度，高强度，耐磨损，CrN高硬度，耐磨，摩擦因素低，ZrN
二元碳化物 TiC，WC熔点高，硬度高，耐磨，Cr3C2
碳氮化物 TiCN 硬度高，耐磨，不耐高温
三元氮化物 TiAlN涂层刀具比TiN寿命高一倍，CrAlN，Cr基涂层氧化性，耐腐蚀，抗黏结，韧性明显优于Ti基涂层
四元氮化物 TiAlCrN，起始氧化温度1000℃，寿命比TiAlN提高6-10倍。硬质涂层多元化可明显提高刀具切削寿命，尤其是高速，高温切削
超硬涂层
非本征
纳米多层， 两种以上材料以纳米级厚度排列而成的涂层结构，存在大量界面，可有效调整涂层中的错位和缺陷，增加材料韧性，阻碍裂纹扩展，获得更高硬度与弹性模量，制备方法多为磁控溅射，沉积速率低，容易控制层厚。
纳米复合
本征
类金刚石
立方氮化硼
氮化碳
碳基薄膜
DLC 以sp3杂化键形式结合的碳原子结构为主的非晶碳基薄膜
diamond like carbon
diamond like carbon
a-C:H 含氢DLC sp3杂化键含量低于70%，氢的摩尔分数20%-50%
ta-C 不含氢DLC sp3杂化键含量高于70%的四面体非晶碳基薄膜
sp3杂化键决定薄膜的力学性能，sp2杂化键决定光学电学性能
极低摩擦系数，低黏附性和优良耐磨性，降低了刀具在切削过程中由于摩擦产生的热量，使刀具寿命提高3-4倍
GLC 以sp2杂化键形式结合的碳原子结构为主的非晶碳基薄膜
graphite like carbon
graphite like carbon
PLC 高含氢具有碳氢聚合物特征的类聚合物碳基
polymer like carbon
polymer like carbon
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