CN100340700C - 霍尔源激励磁控溅射增强型多弧离子镀膜方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种霍尔源激励磁控溅射增强型多弧离子镀膜方法，采用霍尔源激励磁控溅射增强型多弧离子镀膜设备制备包括TiN、TiC、(Ti，Si)N、(Ti，Si)C、(Ti，Si)CN、Ti(CN)、(Ti，Al)N的硬质薄膜材料，该方法对在设备中待处理工件先进行表面处理后，然后加热至300-350℃，在1-2×10^-1Pa的气压条件下，通入工作气体Ar和N₂，并由设备的直流电源和中频交流电源提供电压，由设备中的霍尔源提供高离化率的反应气体离子，此时高能电子与气体分子碰撞离化产生辉光放电，形成具有化学活性的离子和自由基在工件表面发生反应沉积成薄膜，沉积速率每小时2.0μm到4.0μm；薄膜沉积形成后，对炉体内充入保护性气氛冷却出炉，即在工件表面得到硬质薄膜，可满足苛刻服役环境下的各种工模具表面处理的工业化需要。

Description

霍尔源激励磁控溅射增强型多弧离子镀膜方法

                         技术领域

本发明涉及一种在工模具表面沉积具有高硬度、强结合力、抗氧化、耐腐蚀的硬质薄膜材料方法及设备，具体地讲，特别涉及一种霍尔源激励磁控溅射增强型多弧离子镀膜方法。

                         背景技术

目前，国内外有关制备硬质薄膜材料的方法主要有三种，即化学气相沉积(CVD)、等离子体辅助化学气相沉积(PCVD)和物理气相沉积(PVD)。

CVD法问世较早，适用于硬质合金类零部件的强化，在当今仍保持着一定的优势，但其原理主要是高温热激活化学气相沉积反应，通常达1000℃左右，超过了一般钢制工模具的回火温度，镀膜后须重新淬回火，易产生变形甚至开裂，一定程度上限制了它的应用。

PCVD法通过等离子体激活化学沉积反应，避免了CVD法工艺温度过高的缺点，其工艺温度一般控制在500到550℃之间，同时可在同一台设备中实现连续等离子渗氮、碳氮共渗和镀膜的复合处理，不仅适用于不同材质的工模具，而且特别适用于形状复杂类模具的表面强化，因而自八十年代以来倍受重视。目前，按等离子体的引入和产生方法，PCVD技术可进一步细分为射频PCVD、微波PCVD、直流PCVD和脉冲直流PCVD。但射频PCVD能量不易集中，功率消耗较大；微波PCVD由于技术自身的局限，难以在工业型炉体中实现镀膜；而传统地直流PCVD的致命缺点是在狭缝、沟槽、小孔等部位易出现空心阴极效应而产生弧光放电，烧损工件表面，难以对复杂形状的工模具实现高质量的均匀镀覆。脉冲直流PCVD技术将脉冲直流辉光放电引入化学气相沉积反应中，借助脉冲占空比的恰当调制，较好地克服了弧光放电问题，因而从根本上解决了对复杂形状的工模具进行表面强化的技术难题，展现出良好的工业应用前景，是现今PCVD技术的主要发展方向。然而，国内外现有脉冲直流PCVD技术仍存在膜层中的氯腐蚀长期技术难题，由于钛来源于TiCl₄液体分解，在提供钛粒子的同时，氯离子不可避免地进入膜层中，长期存在于膜层中并与外界环境作用，会引起薄膜材料自身的腐蚀以及性能退化，严重影响薄膜材料的使用，导致脉冲直流PCVD技术的工业化推广明显滞后于潜在的市场需求。

与CVD和PCVD相比，PVD法具有沉积温度低(200-300℃)、处理周期短、薄膜外观质量好等优点，在高速钢刀具表面薄膜制备方面获得广泛应用。PVD法包括磁控溅射和离子镀，1963年Mattox首先提出了离子镀技术，并于1967年取得了专利，其后，各种离子镀及溅射镀膜技术相继出现。首先将PVD技术应用于高速钢基体上制备硬质镀层的是日本真空技术公司(U.L.VAC)，它们在1978年采用阴极离子镀(HCD)在滚铣刀表面镀覆了TiN，寿命提高了三倍。其后，欧美各国也取得了成功，如德国Legbold-Heraeus公司的磁控溅射、瑞士Balzers公司的热丝阴极离子镀、美国Mualti-Arc公司的多弧离子镀等相继进入市场。近年来，为进一步提高离化率，增加膜与基体的结合力，英国Teer公司采用非平衡磁控溅射技术，取得了显著效果。

但目前各种单一功能的PVD方法仍存在一些技术问题，如磁控溅射沉积速率和膜基结合强度低；多弧离子镀沉积过程形成的液滴使得薄膜疏松、质量降低。因此，对苛刻服役环境下的各种工模具表面处理，急待寻找更为有效的复合强化方法。

                         发明内容

本发明旨在针对上述现有技术的缺陷或不足，提出一种功能叠加的霍尔源激励磁控溅射增强多弧离子PVD复合镀膜方法。

实现上述任务的技术方案是，霍尔源激励磁控溅射增强型多弧离子镀膜方法，采用霍尔源激励磁控溅射增强型多弧离子镀膜设备制备包括TiN、TiC、(Ti，Si)N、(Ti，Si)C、(Ti，Si)CN、Ti(CN)或(Ti，Al)N的硬质薄膜材料，其特征在于，包括下列步骤：

1)将待处理工件置入霍尔源激励磁控溅射增强型多弧离子镀膜设备的炉体反应室内，打开真空系统对炉体抽真空至5×10^-4Pa时，即打开气体供给系统中的Ar，保持Ar流量为100ml/min，借助设备中的偏压电源系统产生的等离子体场中的高能离子轰击工件表面10分钟，使待处理工件表面得到清洁处理；

2)随后开启加热系统，加热至300℃-350℃保持15分钟后，在1×10^-1Pa-2×10^-1Pa的气压条件下，通入工作气体Ar和N₂，保持流量为500ml/min，并由设备的直流电源为多弧靶材提供25V电压，由中频交流电源为磁控溅射靶材提供200V电压，由设备中的霍尔源提供高离化率的反应气体离子，此时高能电子与气体分子碰撞离化产生辉光放电，形成具有化学活性的离子和自由基，这些离子和自由基在工件表面发生反应沉积成薄膜，沉积速率每小时2.0μm到4.0μm；

3)待工件表面的薄膜沉积形成后，依次关闭设备电源系统、加热系统和气体供给系统，并停止真空系统工作，结束镀膜处理，并对炉体内充入N₂保护性气氛冷却至100℃以下出炉。

本发明的方法借助霍尔源激励技术大幅提高反应过程的离化率，通过偏压可调机械过滤结构的巧妙设计，突破传统多弧离子沉积薄膜过程中形成的液滴技术难题，并保证薄膜材料与基体良好的结合强度。同时，在薄膜沉积过程后期引入磁控溅射技术，可获得致密完整的高质量薄膜体系，以满足苛刻服役环境下的各种工模具表面处理的工业化需要。因此，该方法具有高效率、强化效果显著的技术优势。这种复合技术在现有镀膜方法中未见报道。

                          附图说明

附图1是本发明采用的霍尔源激励磁控溅射增强多弧离子PVD复合镀膜设备的立体结构总图。其中标号分别表示：1、炉体反应室；2、真空系统；3、气体供给系统；4、电源系统；5、工件传动系统；6、加热系统；

附图2是本发明设备的俯视截面图。其中标号分别表示：7、观察窗；8、溅射靶；9、多弧靶；10、工件盘；11、霍尔离子源；12、工件；

下面结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步详细描述。

                         具体实施方式

请参见附图，图1是本发明采用的霍尔源激励磁控溅射增强多弧离子PVD复合镀膜设备的立体结构总图。该设备是一个前开门的立式结构，主要由炉体真空系统2、气体供给系统3、电源系统4、加热系统6组成。真空系统2通过管道与炉体反应室1的后端相连接，并对其抽真空。本底极限真空为5×10^-4Pa，系统升压率小于0.5Pa/h，配备有抽速调节器对抽气速率进行调节。

附图2是本发明设备的俯视截面图。炉体上均布有八套多弧靶9，靶材采用φ80mm圆靶(金属靶)，内水冷结构，并与直流电源4-1相连，依靠电子引弧装置起弧，靶流可调范围40-100A。前门内壁装有两个矩形磁控溅射靶8，并与一套40KW的中频交流电源4-2相连。为提高反应气体的离化率和沉积薄膜的结合强度，改善薄膜质量，该装置上配备两套圆形霍尔离子源11。由炉体界定的为反应室1，炉体为阳极且接地，炉体内有均匀分布的加热系统6(棒状加热器)，为待处理工件12加热。工件12放置在由传动系统5驱动的可以公转和自转的工件盘10上，工件盘与偏压系统的电源4-3相连，在阴阳两极之间借助40kW、偏压大于1200V的单极脉冲偏压，激发辉光放电，建立等离子体场，并对放电物理参数进行调节与控制。通过观察窗7可以检测炉内反应情况。

气体供给系统3由三路质量流量计、混气罐和高真空截止阀组成。分别控制、N₂、Ar、CH₄的流量，系统中所有流量开关均由电磁阀控制。在气体进入反应室1之前，所有气体先进入混气罐充分混合均匀。工作气体由专用通气管进入反应室1内，通气管根据反应室和工件的大小可布置在反应室的中心处，也可布置在反应室的周边处，或二者兼而有之，且与气体供给系统3连通，进行气体的定量供给。

利用上述霍尔源激励磁控溅射增强多弧离子PVD复合镀膜设备可制备TiN、TiC、(Ti，Si)N、(Ti，Si)C、(Ti，Si)CN、Ti(CN)或(Ti，Al)N等硬质薄膜材料，其沉积速率每小时2.0μm到4.0μm，薄膜微观组织致密、晶粒细小，表面均匀、具有金属光泽，其薄膜与基体结合力强，并具有很好的耐腐蚀性。

以下主要以制备TiN硬质薄膜为例，进一步阐述本发明的工作原理。这里需要说明的是，该实施例只是发明人给出的一个具体实施的例子，并不限于这些实例，本领域的人员根据该实施例的原理，无需花费创造性劳动，很容易实现用于制备本说明书以外的其他的硬质薄膜材料，也当属于本发明的保护范围。

实施例：制备TiN硬质薄膜

将待处理工件12置入炉体反应室1内，打开真空系统2对炉体抽真空至5×10^-4Pa时，开始打开气体供给系统3中的Ar，保持Ar流量为100ml/min，借助偏压电源系统4-3产生的等离子体场中的高能离子轰击工件12表面10分钟，以达到对工件表面清洁处理的效果；随后开启加热系统6对工件加热至300℃-350℃保持15分钟后，在1×10^-1Pa-2×10^-1Pa的气压条件下，通入工作气体Ar和N₂，保持流量为500ml/min，并由多弧直流电源4-1和磁控溅射中频交流电源4-2分别为多弧靶9和溅射靶8提供25V和200V的放电电压，由霍尔源11提供高离化率的反应气体离子，此时高能电子与气体分子碰撞离化产生辉光放电，形成具有化学活性的Ti⁺、N⁺离子和自由基，这些离子和自由基在工件12表面发生反应沉积成TiN薄膜。沉积一定时间后，首先关闭电源系统4和加热系统6，接着关闭气体供给系统3，最后停止真空系统2工作，结束镀膜处理，并对炉体内充入N₂保护性气氛冷却至100℃以下出炉。

同理，制备TiC、(Ti，Si)N、(Ti，Si)C、(Ti，Si)CN、Ti(CN)或(Ti，Al)N膜的方法与上述步骤相同，同样可以在工件12表面发生反应沉积成相应的TiC膜或(Ti，Si)N膜或(Ti，Si)C膜或(Ti，Si)CN膜或Ti(CN)膜或(Ti，Al)N膜。

Claims (2)

1.霍尔源激励磁控溅射增强型多弧离子镀膜方法，采用霍尔源激励磁控溅射增强型多弧离子镀膜设备制备硬质薄膜材料，其特征在于，包括下列步骤：

1)将待处理工件置入霍尔源激励磁控溅射增强型多弧离子镀膜设备的炉体反应室内，打开真空系统对炉体抽真空至5×10^-4Pa时，即打开气体供给系统中的Ar，保持Ar流量为100ml/min，借助设备中的偏压电源系统产生的等离子体场中的高能离子轰击工件表面10分钟，使待处理工件表面得到清洁处理；

2)随后开启加热系统，加热至300-350℃保持15分钟后，在1×10^-1Pa-2×10^-1Pa的气压条件下，通入工作气体Ar和N₂，保持流量为500ml/min，并由设备的直流电源为多弧靶材提供25V电压，由中频交流电源为磁控溅射靶材提供200V电压，由设备中的霍尔源提供高离化率的反应气体离子，此时高能电子与气体分子碰撞离化产生辉光放电，形成具有化学活性的离子和自由基，这些离子和自由基在工件表面发生反应沉积成薄膜，沉积速率每小时2.0μm到4.0μm；

3)待工件表面的薄膜沉积形成后，依次关闭设备电源系统、加热系统和气体供给系统，并停止真空系统工作，结束镀膜处理，并对炉体内充入N₂保护性气氛冷却至100℃以下出炉。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的硬质薄膜材料为TiN、TiC、Ti(CN)、(Ti，Si)N、(Ti，Si)C、(Ti，Si)CN或(Ti，Al)N其中之一。

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