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，薄膜表面熔滴數量增多，尺寸也有所變大，薄膜表面質量下降。
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)和觸發電極在高達10 kV 的脈沖電壓下觸發放電，同時陰極弧以強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(圖2)，產生6000℃以上的高溫，使陰極材料在迅速蒸發的同時，發生強烈的熱強場致發射和電離，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，在弧斑發射粒子(電子、離子、原子及原子團等)時，粒子也對弧斑液面產生反沖作用，同時使離子通過鞘層電位向液面方向加速運動，并以很大的動能轟擊液體，使熔池內大量液體原子同時接受遠遠大于束縛能的能量，產生大量原子集中發射，形成了液滴發射。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生，其表達式為：
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增大，產生的液滴數量和尺寸都將增大，造成薄膜表面質量下降。
N：氮，M：Ti 液滴。主要過程：A- 正粒子向基體運動，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：X+e- 1 →X*+ e- 1, X*→X+hv,X- 中性粒子,X*- 帶電粒子, hv- 能量, 當Ti 離子和N 離子在基體上相遇時形成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，有些和其它粒子會發生碰撞而變小，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，薄膜表面逐漸出現一些凹坑，電流越大，這種現象越明顯，這點從圖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生碰撞而直接到達襯底(樣品)表面，如果這些熔滴顆粒不能被二次反向濺射掉(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薄膜(圖3 箭頭A、B所示)，弧源電流越大，這種現象將會越明顯。
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性能研究
