弧源電流對TiN薄膜表面形貌的影響
圖1 是不同弧源電流強(qiáng)度下制備的薄膜表面形貌SEM 二次電子像，可以看出隨弧源電流的增大，薄膜表面熔滴數(shù)量增多，尺寸也有所變大，薄膜表面質(zhì)量下降。
a)I=40A, b)I=50A, c)I=70A, d)I=80A, e)I=90A, f)I=100A
圖1 不同弧源電流下所得TiN 薄膜的表面形貌
電弧離子鍍中弧源電流對薄膜表面熔滴的數(shù)量和尺寸都有較大的影響。從電弧離子鍍的基本原理可以知道：真空條件下，金屬陰極(弧源靶)和觸發(fā)電極在高達(dá)10 kV 的脈沖電壓下觸發(fā)放電，同時(shí)陰極弧以強(qiáng)大的的放電電流密度(106 A/cm2~108 A/cm2) 集中于5 μm~6 μm 很小的弧斑區(qū)(圖2)，產(chǎn)生6000℃以上的高溫，使陰極材料在迅速蒸發(fā)的同時(shí)，發(fā)生強(qiáng)烈的熱強(qiáng)場致發(fā)射和電離，形成高密度的金屬等離子體。由于弧斑的功率密度過于集中，使弧斑熔池較深，形成過多的液體積存，在弧斑發(fā)射粒子(電子、離子、原子及原子團(tuán)等)時(shí)，粒子也對弧斑液面產(chǎn)生反沖作用，同時(shí)使離子通過鞘層電位向液面方向加速運(yùn)動(dòng)，并以很大的動(dòng)能轟擊液體，使熔池內(nèi)大量液體原子同時(shí)接受遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于束縛能的能量，產(chǎn)生大量原子集中發(fā)射，形成了液滴發(fā)射。弧源靶的放電功率密度越大，弧源靶表面所形成的熔池深度越深，熔斑直徑越大，因而放電功率的大小將直接影響液滴的產(chǎn)生，其表達(dá)式為：
P = I U/S (1)
式中I———平均放電電流;U———放電電壓;S———陰極靶材的表面積
由公式(1)可知，弧源電流增大，弧源靶放電功率密度相應(yīng)增大，產(chǎn)生的液滴數(shù)量和尺寸都將增大，造成薄膜表面質(zhì)量下降。
N：氮，M：Ti 液滴。主要過程：A- 正粒子向基體運(yùn)動(dòng)，B- 中性粒子沉積到基體上，C- 中性粒子的二次濺射，D- Ti 液滴的二次濺射,E- 粒子濺射靶材。主要反應(yīng)：X+e- 1 →X*+ e- 1, X*→X+hv,X- 中性粒子,X*- 帶電粒子, hv- 能量, 當(dāng)Ti 離子和N 離子在基體上相遇時(shí)形成TiN。
圖2 多弧離子鍍TiN 膜及表面熔滴的形成過程
陰極弧源靶濺射出來的這些液滴在從弧源靶到基體(樣品)飛行的過程中，有些和其它粒子會(huì)發(fā)生碰撞而變小，有些仍然較大，所以在鍍覆的TiN 薄膜表面有許多不同大小的熔滴。另外，隨弧源電流的增大，薄膜表面逐漸出現(xiàn)一些凹坑，電流越大，這種現(xiàn)象越明顯，這點(diǎn)從圖1 也可以看出大致趨勢。這些凹坑是由于濺射到表面的熔滴顆粒脫落而形成的。弧源電流增大，濺射液滴顆粒飛行速度大，在等離子氣氛中來不及與其它粒子發(fā)生碰撞而直接到達(dá)襯底(樣品)表面，如果這些熔滴顆粒不能被二次反向?yàn)R射掉(圖2 中D)，將一直留在薄膜中，有些大的顆粒甚至從襯底貫穿整個(gè)薄膜(圖3 箭頭A、B所示)，弧源電流越大，這種現(xiàn)象將會(huì)越明顯。
圖3 貫穿TiN 薄膜的熔滴大顆粒
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不同弧源電流TiN薄膜的表面形貌及其摩擦學(xué)性能研究
