多弧离子镀在不锈钢板上沉积TiN的均匀性研究
2019-04-08
多弧离子镀是为了获得良好的绕射性而开发出来的一种镀膜工艺，这种工艺可以用来制备金属膜、合金膜、化合物膜及多层结构膜。由于该技术具有较高的金属离化率和较高的离子能量，因而可以提高涂层的均匀性和附着性，目前已经成为沉积TiN装饰膜的最佳工艺。
多弧离子镀沉积TiN，其实质是在一般的多弧离子镀过程中引入化学过程，即在蒸发金属钛的同时导入能与金属钛发生化学反应的氮气，使其与蒸发出来的钛混合成等离子体，在较低的温度下发生化学反应，在基片上形成化合物的沉积层。
多弧离子镀虽然具有良好的绕射性，可以镀各种形状的装饰品，但要在建筑装饰用的大面积不锈钢板基片上得到均匀的TiN涂层，并不是件容易的事，需要在镀膜工艺参数的选择上做许多文章。
1、问题的提出
用磁控溅射的方法在大面积基片上成膜，为了获得令人满意的均匀性，要求靶的横向宽度大于基片的宽度，而且在基片的宽度方向上靶是一个连续的整体。而多弧离子设备各弧在空间上是不连续的弧与弧之间有一定的距离，如果设备的硬件部分调整不当，或者作为设备软件的工艺参数选择不当，就有可能使基片在正对着弧的部分和弧与弧之间的部分颜色出现较大差异，正对着弧的部分颜色深（或浅），弧与弧之间的部分颜色浅（或深），形成一条条深浅相间的条纹，俗称“斑马纹”，使产品的装饰性下降，甚至成为次品。
离子镀不锈钢板出现均匀性问题，有硬件和软件两方面的影响因素，现分别进行讨论。
2、硬件方面的影响因素
2.1 弧与基片间的距离
弧与基片间的距离对离子镀涂层的均匀性影响较大。弧基距过小，粒子在到达基片之前的碰撞次数太少，散射作用减弱，涂层的均匀性下降；弧基距过大，不仅浪费空间，增加不必要的排气时间，而且使粒子到达基片时能量过小，涂层的牢固度又下降。理论和实验均证明，当弧基距在200mm以上时，即可达到希望的膜厚均匀性。
2.2 磁场强度
磁场强度与涂层的均匀性关系密切，众所周知，在弧源系统中设置磁场可以改善电弧源的性能，使电弧等离子体加速运动，增加阴极发射电子和离子的数量，提高束流的密度和定向性，减少微小溶滴的含量，但是磁场的强度要适中，过强会使粒子流过于集中，涂层的均匀性下降；过弱又容易造成熄弧，达不到稳定电弧的作用。
实验表明，源材表面磁场强度的最大水平分量在20~35Gs时为最佳，使用前所有弧源材表面的磁场强度需要用高斯计统一调整一致，随着源材的消耗，源材表面因距磁铁距离变小而使磁场强度增大，所以有必要根据源材的消耗情况定期调整其表面的磁场强度，对于表面形态缺陷严重的源材要进行重新加工。
3、软件方面的影响因素
3.1 气体压力
离子镀工艺过程中气体压力对涂层的均匀性影响较大，一般来说，气体压力越高，离子的绕射性越好，涂层的均匀性也越好，但是压力过高也会降低粒子到达基片时所携带的能量，影响涂层的附着强度。实验证明，离子镀在大面积不锈钢基片上沉积TiN的最佳氮气分压在3.0*10-1~1Pa之间。
3.2 基片偏压
在基片上设置负偏压可以提高入射粒子的速度，使基片获得较大的能量，从而增强涂层与基片之间的附着强度，但是过高的偏压会使粒子来不及散射即被吸引到基片上，使涂层的均匀性下降，离子镀沉积TiN膜的偏压在50~100V之间较好。
3.3 电弧电流的大小
电弧电流的大小反映膜材的蒸发速率。实验证明，当电弧电流增大时涂层的均匀性会下降，这是因为未散射的粒子在基片上沉积，并且沉积在正对着弧源处的几率增大的缘故，然而从提高生产效率来说，希望电弧电流越大越好，这就要求我们做出折中的选择，另外对于源材面积不同的设备，参数的选择也会不同，对于源材直径为65mm的弧，电弧电流应在50~100A之间。
3.4 基片温度
基片温度对于离子镀涂层均匀性的作用，主要在于清除真空室内的水分和提高膜层的附着性，真空室内的水分是导致涂层出现斑马纹的一个很重要的原因，特别是对于真空室体有水冷夹层的设备，夏天空气中湿度较大，常压下在冰冷的真空室内壁上很容易凝结水汽，这就是水汽存在的主要原因，另外，清洗后的基片烘干不彻底也会把水分带进真空室，水份被加热变成蒸汽后，一方面易引起基片对真空室体的放电，烧伤基片表面(另一方面在电弧的作用下会分解出氧，而氧与钛的反应比氮更快，这必然会造成涂层成分的变化，从而导致涂层颜色的不均匀，基片的温度应在120℃~200℃之间，因为温度过高会给装卸基片造成困难，降低生产效率，另外，在破坏真空时关闭真空室的冷却水和保持真空室内的温度，在很大程度上可以改善这种状态。
4、结语
为了获得附着性好N涂层均匀的离子镀涂层，调整好设备有关的硬件部分和选择好作为设备软件的工艺参数十分重要，对于不同结构的设备，应综合考虑各种因素，统一调节各种工艺参数，找到对应于该具体设备的最佳工艺条件。
另外，工件的镀前清洗及反应气体的纯度对涂层的均匀性也有较大影响，因为这两方面一般均能引起足够的重视，而且获得良好的清洗效果（使用超声波清洗设备）和高纯度的氮气比较容易，所以不在本文的讨论范围之内。
最后给出直径为1500mm，长为3500mm，24个弧源的多弧离子镀膜设备，在3000mm*1000mm不锈钢板上沉积TiN涂层的典型工艺参数，以供同行们探讨。
多弧离子镀沉积TiN，其实质是在一般的多弧离子镀过程中引入化学过程，即在蒸发金属钛的同时导入能与金属钛发生化学反应的氮气，使其与蒸发出来的钛混合成等离子体，在较低的温度下发生化学反应，在基片上形成化合物的沉积层。
多弧离子镀虽然具有良好的绕射性，可以镀各种形状的装饰品，但要在建筑装饰用的大面积不锈钢板基片上得到均匀的TiN涂层，并不是件容易的事，需要在镀膜工艺参数的选择上做许多文章。
1、问题的提出
用磁控溅射的方法在大面积基片上成膜，为了获得令人满意的均匀性，要求靶的横向宽度大于基片的宽度，而且在基片的宽度方向上靶是一个连续的整体。而多弧离子设备各弧在空间上是不连续的弧与弧之间有一定的距离，如果设备的硬件部分调整不当，或者作为设备软件的工艺参数选择不当，就有可能使基片在正对着弧的部分和弧与弧之间的部分颜色出现较大差异，正对着弧的部分颜色深（或浅），弧与弧之间的部分颜色浅（或深），形成一条条深浅相间的条纹，俗称“斑马纹”，使产品的装饰性下降，甚至成为次品。
离子镀不锈钢板出现均匀性问题，有硬件和软件两方面的影响因素，现分别进行讨论。
2、硬件方面的影响因素
2.1 弧与基片间的距离
弧与基片间的距离对离子镀涂层的均匀性影响较大。弧基距过小，粒子在到达基片之前的碰撞次数太少，散射作用减弱，涂层的均匀性下降；弧基距过大，不仅浪费空间，增加不必要的排气时间，而且使粒子到达基片时能量过小，涂层的牢固度又下降。理论和实验均证明，当弧基距在200mm以上时，即可达到希望的膜厚均匀性。
2.2 磁场强度
磁场强度与涂层的均匀性关系密切，众所周知，在弧源系统中设置磁场可以改善电弧源的性能，使电弧等离子体加速运动，增加阴极发射电子和离子的数量，提高束流的密度和定向性，减少微小溶滴的含量，但是磁场的强度要适中，过强会使粒子流过于集中，涂层的均匀性下降；过弱又容易造成熄弧，达不到稳定电弧的作用。
3、软件方面的影响因素
3.1 气体压力
离子镀工艺过程中气体压力对涂层的均匀性影响较大，一般来说，气体压力越高，离子的绕射性越好，涂层的均匀性也越好，但是压力过高也会降低粒子到达基片时所携带的能量，影响涂层的附着强度。实验证明，离子镀在大面积不锈钢基片上沉积TiN的最佳氮气分压在3.0*10-1~1Pa之间。
3.2 基片偏压
在基片上设置负偏压可以提高入射粒子的速度，使基片获得较大的能量，从而增强涂层与基片之间的附着强度，但是过高的偏压会使粒子来不及散射即被吸引到基片上，使涂层的均匀性下降，离子镀沉积TiN膜的偏压在50~100V之间较好。
3.3 电弧电流的大小
电弧电流的大小反映膜材的蒸发速率。实验证明，当电弧电流增大时涂层的均匀性会下降，这是因为未散射的粒子在基片上沉积，并且沉积在正对着弧源处的几率增大的缘故，然而从提高生产效率来说，希望电弧电流越大越好，这就要求我们做出折中的选择，另外对于源材面积不同的设备，参数的选择也会不同，对于源材直径为65mm的弧，电弧电流应在50~100A之间。
3.4 基片温度
基片温度对于离子镀涂层均匀性的作用，主要在于清除真空室内的水分和提高膜层的附着性，真空室内的水分是导致涂层出现斑马纹的一个很重要的原因，特别是对于真空室体有水冷夹层的设备，夏天空气中湿度较大，常压下在冰冷的真空室内壁上很容易凝结水汽，这就是水汽存在的主要原因，另外，清洗后的基片烘干不彻底也会把水分带进真空室，水份被加热变成蒸汽后，一方面易引起基片对真空室体的放电，烧伤基片表面(另一方面在电弧的作用下会分解出氧，而氧与钛的反应比氮更快，这必然会造成涂层成分的变化，从而导致涂层颜色的不均匀，基片的温度应在120℃~200℃之间，因为温度过高会给装卸基片造成困难，降低生产效率，另外，在破坏真空时关闭真空室的冷却水和保持真空室内的温度，在很大程度上可以改善这种状态。
4、结语
为了获得附着性好N涂层均匀的离子镀涂层，调整好设备有关的硬件部分和选择好作为设备软件的工艺参数十分重要，对于不同结构的设备，应综合考虑各种因素，统一调节各种工艺参数，找到对应于该具体设备的最佳工艺条件。
另外，工件的镀前清洗及反应气体的纯度对涂层的均匀性也有较大影响，因为这两方面一般均能引起足够的重视，而且获得良好的清洗效果（使用超声波清洗设备）和高纯度的氮气比较容易，所以不在本文的讨论范围之内。
最后给出直径为1500mm，长为3500mm，24个弧源的多弧离子镀膜设备，在3000mm*1000mm不锈钢板上沉积TiN涂层的典型工艺参数，以供同行们探讨。