电磁场对电弧离子镀弧斑运动及薄膜表面大颗粒的影响规律研究

镀膜表面出现的大颗粒严重阻碍了电弧离子镀技术的发展与应用，遮挡屏蔽，磁过滤等技术是在等离子体传输过程中将大颗粒排除的方法，但带来了一些负面效应，是比较消极的办法。而外加磁场可以控制弧斑的运动，是一种从源头来解决大颗粒的重要方法，在国际上得到了极大重视，但国内这方面的工作开展得很少。本研究开展电磁场对电弧离子镀弧斑运动及薄膜表面大颗粒的影响规律研究，包括：轴对称磁场对电弧离子镀弧斑运动及TiN薄膜组织结构、表面大颗粒的影响；旋转横向磁场对电弧离子镀弧斑运动及TiN薄膜组织结构、表面大颗粒的影响；不同电磁场对所沉积TiN薄膜表面粗糙度、摩擦系数等性能的影响；电磁场对电弧离子镀弧斑运动的物理机制等内容。设计制备出轴对称及旋转横向磁场，并对其位形进行模拟，揭示电磁场对弧斑运动及所沉积薄膜表面大颗粒的影响规律，开发出放电均布于整个靶面的分布弧源技术，为促进电弧离子镀发展提供必要的技术理论储备。

通过设计制备轴对称磁场及旋转横向磁场，研究了这两种磁场强度对电弧离子镀弧斑运动及TiN薄膜表面大颗粒的影响规律。发现轴对称磁场中的横向磁场分量对弧斑运动有明显影响，随着横向磁场强度的增加，弧斑由随机运动逐渐转变为在靶材边缘快速旋转，TiN薄膜表面大颗粒尺寸和数量大大减少。当轴对称磁场横向分量强度从0Gs增加到30Gs时，TiN薄膜表面大颗粒的最大直径从31.2μm降低到了5μm，大颗粒与薄膜的之间的面积比从15.4%下降到 2.9%。旋转横向磁场的频率和强度都对弧斑的运动有很大的影响，弧斑运动状态的转变是旋转磁场频率和强度共同作用的结果，在高的旋转频率下增加磁场强度，或者在高的磁场强度下增加旋转频率才更容易出现弧斑完全分布在整个靶面的强分散弧态。当弧斑呈现出完全分布于整个靶面时（210Hz，11A），薄膜表面的颗粒数目特别少（6.6×10^3/mm^2），其面积只占薄膜总面积的0.61%，明显低于轴对称磁场时的情形。随着轴对称磁场和旋转横向磁场强度的增加，薄膜表面粗糙度及滑动摩擦系数都出现降低，但旋转横向磁场下沉积的TiN薄膜具有更低的表面粗糙度及滑动摩擦系数。磁场影响了靶材放电前方带正电离子云的密度，进而影响了弧斑运动。在旋转横向磁场的作用下，弧斑放电均匀分布在整个靶面，降低了靶面的电流密度，因此大大降低了大颗粒的发射，这也是薄膜表面大颗粒减少的主要原因。该技术的研发，对促进电弧离子镀弧斑运动状态的改善及薄膜综合性能的提高具有重要意义。