電弧離子鍍弧源的研制進展

王樹正，鄢 強，2，杜鳴皓 ，宋慧瑾

（1.成都大學機械工程學院，成都 610106；2.四川宇戕科技有限公司，四川 綿竹 618200）

0 引言

真空電弧離子鍍（Vacuum Arc Ion Plating）又稱多弧離子鍍，作為涂層材料的主要制備方法，是最早的離子鍍[1]。電弧離子鍍技術(shù)具有離化率高、一弧多用、沉積速度快，制備的膜層致密均勻、具有較高的強度及耐磨性，作為首選技術(shù)應用在一些硬質(zhì)、耐磨及耐熱涂層的制備上，近幾年在裝飾和聚合物薄膜材料表面改性中也有一定應用[2-4]。但是，由于電弧離子鍍基于冷場致弧光放電原理，陰極弧斑電流密度達到1012A/m2數(shù)量級，導致蒸發(fā)過程劇烈，除了發(fā)射電子、離子和少量中性原子外，還有宏觀大顆粒（熔融態(tài)金屬）的噴發(fā)，尺寸一般在0.1～10 μm，這些大顆粒沉積在膜層中會給涂層帶來各種缺陷進而影響涂層性能[5-8]。

目前主要從兩個方面解決大顆粒問題：一是從源頭出發(fā)，優(yōu)化電弧離子源的設計；二是在等離子體運輸過程中對大顆粒進行過濾。雖然過濾的方式在去除大顆粒的實際應用上有一定的效果，但是等離子體在運輸過程中損耗較大，降低了沉積速率及等離子體利用率，增加了涂層制備成本。因此，國內(nèi)外許多科研人員將研究重點放在電弧離子源的優(yōu)化設計上[9-11]。

電弧離子源簡稱弧源，是鍍膜過程中產(chǎn)生等離子體的源頭，直接決定鍍膜系統(tǒng)的成膜質(zhì)量。近年來，科研人員根據(jù)大顆粒在弧源上產(chǎn)生的機制，通過優(yōu)化弧源的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，設計出了各種新型弧源，有效減少了大顆粒的產(chǎn)生，并提高了靶材的利用率及鍍膜的穩(wěn)定性，推動了電弧離子鍍技術(shù)的進步。本文重點對幾類新型弧源的創(chuàng)新進行分析總結(jié)，提出目前弧源設計仍存在的問題及未來的發(fā)展趨勢。

1 傳統(tǒng)陰極電弧離子源

傳統(tǒng)陰極電弧離子源主要有圓形弧源、矩形弧源和柱形弧源三種。

圓形弧源采用圓形平面陰極靶材，早期靶材直徑為60～100 mm，厚度40 mm[5]。在靶材后方設置永磁體，通過永磁體形成的控弧磁場來約束弧斑在靶面的運動，提高放電穩(wěn)定性，避免跑弧[12]。該類弧源一般通過機械引弧的方式在靶材與輔助陽極之間產(chǎn)生弧光放電使靶材蒸發(fā)。矩形弧源采用矩形平面陰極靶材，起源于20世紀90年代中期，最大靶材長度可達800 mm，一般采用永磁體或電磁線圈提供控弧磁場，利用磁場在靶材表面對電子的徑向推力以及周向力，使弧斑產(chǎn)生周向旋轉(zhuǎn)運動[13-14]。永磁體矩形弧源的內(nèi)、外磁體嵌在磁軛上且懸空端極性相反，靶面高橫向磁場分量形成橢圓環(huán)形區(qū)域。柱形弧源可以尺寸很大，適用于大面積均勻性好的涂層的制備。旋轉(zhuǎn)式柱形弧源又稱為柱弧技術(shù)[14]，國外應用較多。柱形弧源的管狀靶材套置于磁鐵與極靴組成的磁軸外部，磁鐵的一端嵌入極靴，另一端懸空，懸空端按N-S-N-S排布，旋轉(zhuǎn)磁軸可以形成運動的磁場，繼而產(chǎn)生繞靶材螺旋上升或下降運動的陰極弧斑；如果磁軸靜止，陰極弧斑則沿靶材柱面軸向運動，形成長條形弧線。

三種傳統(tǒng)弧源的優(yōu)缺點如表1所列。

表1 傳統(tǒng)弧源的分類及優(yōu)缺點Tab.1 Classification and advantages and disadvantages of traditional arc sources

2 新型弧源

與傳統(tǒng)弧源相比，新型弧源通常結(jié)構(gòu)不同，但系統(tǒng)組成大同小異，均是由陰極靶、磁場組件、冷卻系統(tǒng)、引弧裝置及輔助構(gòu)件等組成。本章主要對幾類新型弧源在磁場裝置、冷卻系統(tǒng)、輔助構(gòu)件和引弧裝置上的創(chuàng)新進行分析總結(jié)。

2.1 磁場裝置

電弧等離子體在真空環(huán)境下導電，利用其導電性與磁場之間的相互作用可以控制弧斑的運動軌跡，已得到了研究者的重視和深入研究[17-18]。如，增大磁場橫向分量可以提高弧斑的移動速度；根據(jù)銳角法則，利用磁場位型可以限制弧斑的刻蝕路線[19-20]。對磁場進行合理的設計，可以控制弧斑的刻蝕路線并提高弧斑的移動速度，從而減少放電功率在靶面的集中，減少宏觀大顆粒的產(chǎn)生[18]。根據(jù)科研人員對磁場與電弧之間相互作用的研究成果，技術(shù)人員對外加磁場的優(yōu)化設計從單一的靜態(tài)控弧磁場轉(zhuǎn)向復合動態(tài)控弧磁場，使控弧效果得到了顯著提升[21]。目前采用的磁場裝置具有以下特點：

（1）對于平面弧源，好的磁場裝置產(chǎn)生的磁場應能在提高弧斑運動速度的前提下控制弧斑均勻刻蝕整個靶材表面。Okazaki等[22]提出了一種圓形弧源，原理如圖1（a）所示，控弧磁場由輔助永磁體配合安裝在旋轉(zhuǎn)平臺上的環(huán)形永磁體產(chǎn)生，開啟旋轉(zhuǎn)平臺后可產(chǎn)生繞靶材中心轉(zhuǎn)動的環(huán)形運動弧斑，均勻刻蝕整個靶面；周敏等[23]針對矩形平面弧源靶材刻蝕不均的問題發(fā)明了一種可控制弧斑在靶面呈往復掃描式運動的磁場裝置，原理如圖1（b）所示，在靶材長度方向上放置多個電磁線圈，通過時序設置各個電磁線圈的電流通斷并對選定導通的電磁線圈施加周期性正負脈沖電流，即可產(chǎn)生控制弧斑沿靶材表面往復掃描式運動的磁場?；“呔鶆蚩涛g整個靶面一方面可以避免熱量的集中，減少大顆粒的產(chǎn)生，另一方面可提高靶材利用率，降低鍍膜成本。

圖1 磁場裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of the magnetic field device

（2）好的磁場裝置能提供多種模式的磁場。Joerg等[24]提出的一種柱形弧源，其磁場裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，磁場源4、5、6、7提供磁場，其中活動磁場源4、5分別安裝在旋轉(zhuǎn)機械臂1、2上，旋轉(zhuǎn)角α12可以在0～180°切換，整個磁場裝置可沿RS方向調(diào)整。弧源工作時，按照工作需要一方面可以將機械臂1或2調(diào)整到預設角度后固定，磁場裝置整體繞主軸D做旋轉(zhuǎn)運動，另一方面還可以選擇機械臂驅(qū)動軸L與主軸D聯(lián)動來產(chǎn)生動態(tài)磁場。郎文昌等[25]發(fā)明了一種多模式調(diào)制弧源裝置，通過多個電磁線圈與永磁體組件間的靈活配合產(chǎn)生多種模式下的磁場位型。多模式化的磁場裝置可以根據(jù)工作需求提供不同模式的磁場，提高鍍膜工藝的靈活性。

圖2 柱形弧源磁場裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the cylindrical arc source magnetic field device

（3）好的磁場裝置可以方便且精確地調(diào)節(jié)磁場位形及強度。蔣釗等[26]發(fā)明了一種磁路可控式弧源，結(jié)構(gòu)如圖3所示，該裝置控弧磁場來自靶材后方的磁鐵及弧源殼體外部的磁軛組合，磁力線從磁鐵出來，經(jīng)過陰極靶7，進入磁軛A及磁軛B，最終回到磁鐵，其中磁軛組合與弧源外殼體采用自由公差配合，弧源殼體上設有精確刻度，通過調(diào)整磁軛A的位置可以達到精確調(diào)節(jié)靶面磁場的目的。藺增等[27]設計的一種智能弧源包括電磁線圈模塊、靶材、水冷模塊和永磁體模塊，其中電磁線圈模塊可以通過可編程邏輯控制模塊輸入控制參數(shù)對磁場的位形及強度進行精確調(diào)節(jié)。

圖3 磁路可控式真空弧源及磁路結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of magnetic circuit controllable vacuum arc source and magnetic circuit

（4）對于一些特殊形狀靶材弧源，磁場裝置產(chǎn)生的磁場必須保證弧斑在刻蝕區(qū)域能夠穩(wěn)定放電。如Yoshinori等[28]研究了一種新型弧源，結(jié)構(gòu)如圖4所示，該弧源使用的是可沿A方向做進給運動的實心棒狀靶材，靶材前端穿過主板和屏蔽罩進入腔室，永磁體圍繞靶材并放置于屏蔽罩后方，產(chǎn)生的磁場可以將弧斑限制在靶材前端穩(wěn)定運動。由于該弧源使用棒狀靶材且具有進給功能，所以在小型真空室中連續(xù)沉積涂層具有明顯優(yōu)勢。

圖4 具有靶材進給功能的弧源結(jié)構(gòu)Fig.4 Arc source structure with a target feed function

對磁場裝置進行優(yōu)化設計，可以靈活控制磁場的位形及強度，獲得好的控弧磁場，有效減小大顆粒的尺寸和數(shù)量，并提高鍍膜的穩(wěn)定性以及靶材的利用率。未來磁場裝置應與計算機連接，通過磁場測試裝置配合軟件實時獲得靶面磁場參數(shù)，具備磁場可視化調(diào)節(jié)的能力。

2.2 冷卻系統(tǒng)

弧源工作過程中由于弧光放電會導致靶面熱量積累，如果靶材不能及時散熱，會增加靶面熔池大顆粒的噴射。在弧源上設置冷卻系統(tǒng)使靶材散熱，有利于抑制大顆粒的產(chǎn)生，較好的冷卻效果可以有效減少膜層中大顆粒的數(shù)量，提高涂層質(zhì)量，而冷卻系統(tǒng)設計不合理則會導致冷卻效率較低或冷卻不均，使涂層中大顆粒增多，涂層質(zhì)量降低，因此合理設計冷卻系統(tǒng)是弧源設計中的重要一環(huán)。

傳統(tǒng)平面弧源的冷卻系統(tǒng)一般采用大平面水冷模式，該模式存在冷卻水滯留問題，導致靶材冷卻不均，因此采用水道冷卻代替大平面冷卻成為主流的冷卻方式。在水道冷卻系統(tǒng)中，水道位形、進水與出水的位置應根據(jù)靶材表面的熱量分布進行合理設計。上述智能電弧離子源[27]的水冷通道以靶材圓心為中心呈螺旋狀分布，由于靶面中心處溫度最高，所以冷卻水從中心處引入，沿水道從外圍終點流出，可以達到均勻冷卻的目的。

柱形弧源的冷卻系統(tǒng)既要做到冷卻均勻，又要為磁場裝置留有足夠空間，Joerg等[29]提出了一種柱狀弧源，其冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。靶材6套在襯底7外部，襯底7與內(nèi)基體1之間形成冷卻空間，并被隔板9分為左、右兩部分，冷卻水從進水口流入右半弧狀儲水空間，經(jīng)設置在固定板5內(nèi)的溢流通道8流入左半弧狀儲水空間，最后從出水口流出，即能達到冷卻均勻的目的，又可以節(jié)省出大量空間用來設置磁場裝置。

圖5 柱形弧源冷卻系統(tǒng)Fig.5 Cylindrical arc source cooling system

解決冷卻水滯留問題是提高冷卻性能的關鍵。要在確保不影響弧源其他裝置的前提下，根據(jù)靶材表面的熱量分布合理設計冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并盡量增大冷卻水流速，才能達到較好的冷卻效果。

2.3 輔助構(gòu)件

為了提高傳統(tǒng)圓形弧源及柱形弧源的沉積效率，真空室內(nèi)往往設置多個弧源，并考慮弧源之間磁場互相干擾造成控弧效率降低的問題，因此有研究者設計了帶有磁場屏蔽的弧源。Siegfried等[30]使用具有高磁化飽和度及低頑磁性軟磁材料制成的屏蔽罩套在靶材周圍，如圖6（a）所示，可以在一定高度上屏蔽任意徑向擴散的磁場。高文波等[16]發(fā)明了一種帶有屏蔽罩的柱狀弧源，該裝置截面如圖6（b）所示。屏蔽罩處于懸浮電位并與靶管絕緣，弧源的磁芯包括磁極管及設置于管壁的一塊磁鐵，磁鐵的一個磁極正對磁極管，另一磁極正對靶管?；≡垂ぷ鲿r磁軸固定，靶管連接傳動裝置旋轉(zhuǎn)運動，這樣可以實現(xiàn)靶材定向蒸發(fā)，弧源安裝位置靈活的期望。

圖6 屏蔽裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of the shielding device

涂層沉積過程中陰極靶材的位置及方向決定了等離子體的密度分布，而傳統(tǒng)弧源在真空室中位置固定，容易出現(xiàn)等離子體分布不均，工件上涂層厚度不均等問題。為此Russell等[31]提出了一種具有移動功能的弧源。按照工藝需求，通過移動裝置將弧源調(diào)整到最佳工作位置，可以保證涂層沉積的均勻性。另外，當弧源工作過程中零部件受熱不均時，由于材料熱膨脹系數(shù)不同，弧源內(nèi)部將出現(xiàn)熱應力集中，因此需要輔助構(gòu)件來避免局部機械應變的發(fā)生，例如圖5中的膨脹元件4就可以起到避免固定板5與襯底7之間發(fā)生機械應變的作用。

輔助構(gòu)件在一定程度上消除了各類傳統(tǒng)弧源中存在的薄弱環(huán)節(jié)，提高了鍍膜效率以及涂層的質(zhì)量，但也增加了弧源的機械復雜程度，加大了維持鍍膜系統(tǒng)真空環(huán)境的難度，有可能對沉積過程造成負面影響，所以在設計輔助構(gòu)件時，結(jié)構(gòu)要盡量簡單。

2.4 引弧裝置

引弧是產(chǎn)生等離子體過程中的第一個關鍵環(huán)節(jié)。接觸式機械引弧作為電弧離子鍍技術(shù)中最廣泛的引弧方式，利用機械結(jié)構(gòu)使通電后相互接觸形成短路的引弧針與靶材迅速分離而產(chǎn)生大電流引起弧光放電，從而達到引弧的目的。但是在此過程中如果引弧針沒有及時與靶材表面分離，則會出現(xiàn)針靶粘合現(xiàn)象，造成引弧失敗。傳統(tǒng)的機械引弧一般采用動態(tài)密封，長期使用后，密封處容易漏氣，為此彭建等[32]將波紋管設置在引弧裝置中發(fā)生相對運動的位置，可使動態(tài)密封轉(zhuǎn)化為靜態(tài)密封，不易破壞真空環(huán)境。

非接觸式高壓脈沖引弧方式無須移動部件即可完成引弧，引弧針與靶面之間存在一定縫隙，通過對引弧針施加高壓脈沖，使弧光放電發(fā)生在引弧針和靶材之間，達到引弧目的。但該方法需要較強電場，引弧針與靶面間距要盡可能小，在靶材刻蝕過程中可能會出現(xiàn)引弧針干擾弧斑運動的情況；另外由于弧斑溫度較高會造成引弧針表面元素揮發(fā)從而導致等離子體污染，嚴重時會使引弧針燒壞。為了解決該問題，王向紅等提出了一種非接觸引弧方法[33]，電弧離子源的結(jié)構(gòu)如圖7所示，其中引弧組件由點火片4與點火針5組成，點火片裝在點火針頂部，高壓脈沖電源使陰極靶中心通孔內(nèi)的點火片尖端產(chǎn)生弧光放電，形成弧斑，并在線圈6產(chǎn)生的磁場作用下使弧斑移動到靶材1表面，最終在維弧電路作用下穩(wěn)定放電。

圖7 電弧離子源結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the electric arc ion source structure

Siegfried等[34]提出了兩種對多靶材引弧的方法，原理如圖8所示。旋轉(zhuǎn)引弧裝置中，旋轉(zhuǎn)軸沿豎直方向傾斜α角，在旋轉(zhuǎn)過程中引弧針尖端劃過的圓弧所在平面與靶材平面相交且夾角α′與α角相同，靠旋轉(zhuǎn)即可完成引弧針與靶材分離的動作，達到對兩個靶材引弧的目的；在機械引弧裝置中，通過導軌與開槽元件之間的機械配合完成引弧針與靶材之間的接觸與分離動作，達到對多個弧源引弧的目的。但當某個弧源上弧斑熄滅需要重新引弧時，引弧針可能須從其他正在刻蝕的靶材上方經(jīng)過，造成材料污染，并降低引弧針的使用壽命。

圖8 多靶材引弧原理Fig.8 Multi-target ignition apparatus principle

目前使用的引弧裝置在鍍膜過程中出現(xiàn)滅弧時通常需要人工重新引弧，所以操作人員要始終觀測靶材表面弧斑狀態(tài)，由此將增加人工成本，如果引弧裝置與整機監(jiān)測系統(tǒng)實時配合，就能夠?qū)崿F(xiàn)滅弧后的自動引弧。

3 結(jié)語與展望

電弧離子鍍作為一種經(jīng)典的PVD技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)在涂層領域得到了廣泛的應用?；≡醋鳛殡娀‰x子鍍膜設備的核心部件，直接決定整套鍍膜系統(tǒng)的性能。當前對弧源的優(yōu)化設計主要為達到以下目的：（1）減小大顆粒的尺寸及數(shù)量，提高涂層質(zhì)量；（2）提高靶材利用率，降低成本；（3）保證鍍膜過程的穩(wěn)定性，提高沉積效率。針對上述目標，科研人員對磁場裝置、冷卻系統(tǒng)、輔助構(gòu)件與引弧裝置進行優(yōu)化設計，在一定程度上達到了預期的效果。

隨著智能制造的提出，制造裝備向著智能裝備逐步發(fā)展。作為電弧離子鍍膜設備的核心元件，在整機系統(tǒng)朝著智能裝備過渡的進程中，弧源的智能化設計將成為未來的發(fā)展方向。另外，雖然控弧磁場可以提高弧斑的運動速度，降低靶面放電功率的集中，但是由于靶材面積有限，短時間內(nèi)受到多次重復刻蝕的情況不可避免，仍然會出現(xiàn)靶材溫度升高的現(xiàn)象，所以減少大顆粒的效果依舊無法與磁過濾相媲美，為了解決這個問題，相信在未來會出現(xiàn)第四種靶材結(jié)構(gòu)形式的弧源設計，配合好的控弧磁場，徹底解決電弧離子鍍中的大顆粒問題，為電弧離子鍍帶來技術(shù)性革命。