王樹(shù)正，鄢 強(qiáng)，2，杜鳴皓 ，宋慧瑾

（1.成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(qiáng)度及耐磨性，作為首選技術(shù)應(yīng)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(yīng)用[2-4]。但是，由于電弧離子鍍基于冷場(chǎng)致弧光放電原理，陰極弧斑電流密度達(dá)到1012A/m2數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致蒸發(fā)過(guò)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(huì)給涂層帶來(lái)各種缺陷進(jìn)而影響涂層性能[5-8]。

目前主要從兩個(gè)方面解決大顆粒問(wèn)題：一是從源頭出發(fā)，優(yōu)化電弧離子源的設(shè)計(jì)；二是在等離子體運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)大顆粒進(jìn)行過(guò)濾。雖然過(guò)濾的方式在去除大顆粒的實(shí)際應(yīng)用上有一定的效果，但是等離子體在運(yùn)輸過(guò)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(guó)內(nèi)外許多科研人員將研究重點(diǎn)放在電弧離子源的優(yōu)化設(shè)計(jì)上[9-11]。

電弧離子源簡(jiǎn)稱弧源，是鍍膜過(guò)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(lái)，科研人員根據(jù)大顆粒在弧源上產(chǎn)生的機(jī)制，通過(guò)優(yōu)化弧源的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，設(shè)計(jì)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(dòng)了電弧離子鍍技術(shù)的進(jìn)步。本文重點(diǎn)對(duì)幾類新型弧源的創(chuàng)新進(jìn)行分析總結(jié)，提出目前弧源設(shè)計(jì)仍存在的問(wèn)題及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

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(shè)置永磁體，通過(guò)永磁體形成的控弧磁場(chǎng)來(lái)約束弧斑在靶面的運(yùn)動(dòng)，提高放電穩(wěn)定性，避免跑弧[12]。該類弧源一般通過(guò)機(jī)械引弧的方式在靶材與輔助陽(yáng)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(jì)90年代中期，最大靶材長(zhǎng)度可達(dá)800 mm，一般采用永磁體或電磁線圈提供控弧磁場(chǎng)，利用磁場(chǎng)在靶材表面對(duì)電子的徑向推力以及周向力，使弧斑產(chǎn)生周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[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(chǎng)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(guó)外應(yīng)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(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)，繼而產(chǎn)生繞靶材螺旋上升或下降運(yùn)動(dòng)的陰極弧斑；如果磁軸靜止，陰極弧斑則沿靶材柱面軸向運(yùn)動(dòng)，形成長(zhǎng)條形弧線。

三種傳統(tǒng)弧源的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所列。

表1 傳統(tǒng)弧源的分類及優(yōu)缺點(diǎn)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(chǎng)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(duì)幾類新型弧源在磁場(chǎng)裝置、冷卻系統(tǒng)、輔助構(gòu)件和引弧裝置上的創(chuàng)新進(jìn)行分析總結(jié)。

2.1 磁場(chǎng)裝置

電弧等離子體在真空環(huán)境下導(dǎo)電，利用其導(dǎo)電性與磁場(chǎng)之間的相互作用可以控制弧斑的運(yùn)動(dòng)軌跡，已得到了研究者的重視和深入研究[17-18]。如，增大磁場(chǎng)橫向分量可以提高弧斑的移動(dòng)速度；根據(jù)銳角法則，利用磁場(chǎng)位型可以限制弧斑的刻蝕路線[19-20]。對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，可以控制弧斑的刻蝕路線并提高弧斑的移動(dòng)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(duì)磁場(chǎng)與電弧之間相互作用的研究成果，技術(shù)人員對(duì)外加磁場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)從單一的靜態(tài)控弧磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向復(fù)合動(dòng)態(tài)控弧磁場(chǎng)，使控弧效果得到了顯著提升[21]。目前采用的磁場(chǎng)裝置具有以下特點(diǎn)：

（1）對(duì)于平面弧源，好的磁場(chǎng)裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)應(yīng)能在提高弧斑運(yùn)動(dòng)速度的前提下控制弧斑均勻刻蝕整個(gè)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(chǎng)由輔助永磁體配合安裝在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的環(huán)形永磁體產(chǎn)生，開(kāi)啟旋轉(zhuǎn)平臺(tái)后可產(chǎn)生繞靶材中心轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán)形運(yùn)動(dòng)弧斑，均勻刻蝕整個(gè)靶面；周敏等[23]針對(duì)矩形平面弧源靶材刻蝕不均的問(wèn)題發(fā)明了一種可控制弧斑在靶面呈往復(fù)掃描式運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)裝置，原理如圖1（b）所示，在靶材長(zhǎng)度方向上放置多個(gè)電磁線圈，通過(guò)時(shí)序設(shè)置各個(gè)電磁線圈的電流通斷并對(duì)選定導(dǎo)通的電磁線圈施加周期性正負(fù)脈沖電流，即可產(chǎn)生控制弧斑沿靶材表面往復(fù)掃描式運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)?；“呔鶆蚩涛g整個(gè)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(chǎng)裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of the magnetic field device

（2）好的磁場(chǎng)裝置能提供多種模式的磁場(chǎng)。Joerg等[24]提出的一種柱形弧源，其磁場(chǎng)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，磁場(chǎng)源4、5、6、7提供磁場(chǎng)，其中活動(dòng)磁場(chǎng)源4、5分別安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂1、2上，旋轉(zhuǎn)角α12可以在0～180°切換，整個(gè)磁場(chǎng)裝置可沿RS方向調(diào)整。弧源工作時(shí)，按照工作需要一方面可以將機(jī)械臂1或2調(diào)整到預(yù)設(shè)角度后固定，磁場(chǎng)裝置整體繞主軸D做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另一方面還可以選擇機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)軸L與主軸D聯(lián)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)。郎文昌等[25]發(fā)明了一種多模式調(diào)制弧源裝置，通過(guò)多個(gè)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(chǎng)位型。多模式化的磁場(chǎng)裝置可以根據(jù)工作需求提供不同模式的磁場(chǎng)，提高鍍膜工藝的靈活性。

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

（3）好的磁場(chǎng)裝置可以方便且精確地調(diào)節(jié)磁場(chǎng)位形及強(qiáng)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(chǎng)來(lái)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(lái)，經(jīng)過(guò)陰極靶7，進(jìn)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(shè)有精確刻度，通過(guò)調(diào)整磁軛A的位置可以達(dá)到精確調(diào)節(jié)靶面磁場(chǎng)的目的。藺增等[27]設(shè)計(jì)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(guò)可編程邏輯控制模塊輸入控制參數(shù)對(duì)磁場(chǎng)的位形及強(qiáng)度進(jìn)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(duì)于一些特殊形狀靶材弧源，磁場(chǎng)裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(jìn)給運(yùn)動(dòng)的實(shí)心棒狀靶材，靶材前端穿過(guò)主板和屏蔽罩進(jìn)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(chǎng)可以將弧斑限制在靶材前端穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。由于該弧源使用棒狀靶材且具有進(jìn)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(shì)。

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

對(duì)磁場(chǎng)裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以靈活控制磁場(chǎng)的位形及強(qiáng)度，獲得好的控弧磁場(chǎng)，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(lái)磁場(chǎng)裝置應(yīng)與計(jì)算機(jī)連接，通過(guò)磁場(chǎng)測(cè)試裝置配合軟件實(shí)時(shí)獲得靶面磁場(chǎng)參數(shù)，具備磁場(chǎng)可視化調(diào)節(jié)的能力。

2.2 冷卻系統(tǒng)

弧源工作過(guò)程中由于弧光放電會(huì)導(dǎo)致靶面熱量積累，如果靶材不能及時(shí)散熱，會(huì)增加靶面熔池大顆粒的噴射。在弧源上設(shè)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(shè)計(jì)不合理則會(huì)導(dǎo)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(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)是弧源設(shè)計(jì)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(wèn)題，導(dǎo)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(jìn)水與出水的位置應(yīng)根據(jù)靶材表面的熱量分布進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。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(diǎn)流出，可以達(dá)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(chǎng)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(jìn)水口流入右半弧狀儲(chǔ)水空間，經(jīng)設(shè)置在固定板5內(nèi)的溢流通道8流入左半弧狀儲(chǔ)水空間，最后從出水口流出，即能達(dá)到冷卻均勻的目的，又可以節(jié)省出大量空間用來(lái)設(shè)置磁場(chǎng)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(wèn)題是提高冷卻性能的關(guān)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(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并盡量增大冷卻水流速，才能達(dá)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(shè)置多個(gè)弧源，并考慮弧源之間磁場(chǎng)互相干擾造成控弧效率降低的問(wèn)題，因此有研究者設(shè)計(jì)了帶有磁場(chǎng)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(kuò)散的磁場(chǎng)。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(shè)置于管壁的一塊磁鐵，磁鐵的一個(gè)磁極正對(duì)磁極管，另一磁極正對(duì)靶管?；≡垂ぷ鲿r(shí)磁軸固定，靶管連接傳動(dòng)裝置旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣可以實(shí)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(guò)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(wèn)題。為此Russell等[31]提出了一種具有移動(dòng)功能的弧源。按照工藝需求，通過(guò)移動(dòng)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(dāng)弧源工作過(guò)程中零部件受熱不均時(shí)，由于材料熱膨脹系數(shù)不同，弧源內(nèi)部將出現(xiàn)熱應(yīng)力集中，因此需要輔助構(gòu)件來(lái)避免局部機(jī)械應(yīng)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(jī)械應(yīng)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(jī)械復(fù)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(duì)沉積過(guò)程造成負(fù)面影響，所以在設(shè)計(jì)輔助構(gòu)件時(shí)，結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單。

2.4 引弧裝置

引弧是產(chǎn)生等離子體過(guò)程中的第一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。接觸式機(jī)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(jī)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(dá)到引弧的目的。但是在此過(guò)程中如果引弧針沒(méi)有及時(shí)與靶材表面分離，則會(huì)出現(xiàn)針靶粘合現(xiàn)象，造成引弧失敗。傳統(tǒng)的機(jī)械引弧一般采用動(dòng)態(tài)密封，長(zhǎng)期使用后，密封處容易漏氣，為此彭建等[32]將波紋管設(shè)置在引弧裝置中發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位置，可使動(dòng)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(wú)須移動(dòng)部件即可完成引弧，引弧針與靶面之間存在一定縫隙，通過(guò)對(duì)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(dá)到引弧目的。但該方法需要較強(qiáng)電場(chǎng)，引弧針與靶面間距要盡可能小，在靶材刻蝕過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)引弧針干擾弧斑運(yùn)動(dòng)的情況；另外由于弧斑溫度較高會(huì)造成引弧針表面元素?fù)]發(fā)從而導(dǎo)致等離子體污染，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使引弧針燒壞。為了解決該問(wèn)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(diǎn)火片4與點(diǎn)火針5組成，點(diǎn)火片裝在點(diǎn)火針頂部，高壓脈沖電源使陰極靶中心通孔內(nèi)的點(diǎn)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(chǎng)作用下使弧斑移動(dòng)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(duì)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(guò)程中引弧針尖端劃過(guò)的圓弧所在平面與靶材平面相交且?jiàn)A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(dòng)作，達(dá)到對(duì)兩個(gè)靶材引弧的目的；在機(jī)械引弧裝置中，通過(guò)導(dǎo)軌與開(kāi)槽元件之間的機(jī)械配合完成引弧針與靶材之間的接觸與分離動(dòng)作，達(dá)到對(duì)多個(gè)弧源引弧的目的。但當(dāng)某個(gè)弧源上弧斑熄滅需要重新引弧時(shí)，引弧針可能須從其他正在刻蝕的靶材上方經(jīng)過(guò)，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(guò)程中出現(xiàn)滅弧時(shí)通常需要人工重新引弧，所以操作人員要始終觀測(cè)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(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)配合，就能夠?qū)崿F(xiàn)滅弧后的自動(dòng)引弧。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

電弧離子鍍作為一種經(jīng)典的PVD技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)在涂層領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。弧源作為電弧離子鍍膜設(shè)備的核心部件，直接決定整套鍍膜系統(tǒng)的性能。當(dāng)前對(duì)弧源的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要為達(dá)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(guò)程的穩(wěn)定性，提高沉積效率。針對(duì)上述目標(biāo)，科研人員對(duì)磁場(chǎng)裝置、冷卻系統(tǒng)、輔助構(gòu)件與引弧裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在一定程度上達(dá)到了預(yù)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(shè)備的核心元件，在整機(jī)系統(tǒng)朝著智能裝備過(guò)渡的進(jìn)程中，弧源的智能化設(shè)計(jì)將成為未來(lái)的發(fā)展方向。另外，雖然控弧磁場(chǎng)可以提高弧斑的運(yùn)動(dòng)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(shí)間內(nèi)受到多次重復(fù)刻蝕的情況不可避免，仍然會(huì)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(wú)法與磁過(guò)濾相媲美，為了解決這個(gè)問(wèn)題，相信在未來(lái)會(huì)出現(xiàn)第四種靶材結(jié)構(gòu)形式的弧源設(shè)計(jì)，配合好的控弧磁場(chǎng)，徹底解決電弧離子鍍中的大顆粒問(wèn)題，為電弧離子鍍帶來(lái)技術(shù)性革命。