弧源电流对TiN薄膜表面形貌的影响
图1 是不同弧源电流强度下制备的薄膜表面形貌SEM 二次电子像，可以看出随弧源电流的增大，薄膜表面熔滴数量增多，尺寸也有所变大，薄膜表面质量下降。
a)I=40A, b)I=50A, c)I=70A, d)I=80A, e)I=90A, f)I=100A
图1 不同弧源电流下所得TiN 薄膜的表面形貌
电弧离子镀中弧源电流对薄膜表面熔滴的数量和尺寸都有较大的影响。从电弧离子镀的基本原理可以知道：真空条件下，金属阴极(弧源靶)和触发电极在高达10 kV 的脉冲电压下触发放电，同时阴极弧以强大的的放电电流密度(106 A/cm2~108 A/cm2) 集中于5 μm~6 μm 很小的弧斑区(图2)，产生6000℃以上的高温，使阴极材料在迅速蒸发的同时，发生强烈的热强场致发射和电离，形成高密度的金属等离子体。由于弧斑的功率密度过于集中，使弧斑熔池较深，形成过多的液体积存，在弧斑发射粒子(电子、离子、原子及原子团等)时，粒子也对弧斑液面产生反冲作用，同时使离子通过鞘层电位向液面方向加速运动，并以很大的动能轰击液体，使熔池内大量液体原子同时接受远远大于束缚能的能量，产生大量原子集中发射，形成了液滴发射。弧源靶的放电功率密度越大，弧源靶表面所形成的熔池深度越深，熔斑直径越大，因而放电功率的大小将直接影响液滴的产生，其表达式为：
P = I U/S (1)
式中I———平均放电电流;U———放电电压;S———阴极靶材的表面积
由公式(1)可知，弧源电流增大，弧源靶放电功率密度相应增大，产生的液滴数量和尺寸都将增大，造成薄膜表面质量下降。
N：氮，M：Ti 液滴。主要过程：A- 正粒子向基体运动，B- 中性粒子沉积到基体上，C- 中性粒子的二次溅射，D- Ti 液滴的二次溅射,E- 粒子溅射靶材。主要反应：X+e- 1 →X*+ e- 1, X*→X+hv,X- 中性粒子,X*- 带电粒子, hv- 能量, 当Ti 离子和N 离子在基体上相遇时形成TiN。
图2 多弧离子镀TiN 膜及表面熔滴的形成过程
阴极弧源靶溅射出来的这些液滴在从弧源靶到基体(样品)飞行的过程中，有些和其它粒子会发生碰撞而变小，有些仍然较大，所以在镀覆的TiN 薄膜表面有许多不同大小的熔滴。另外，随弧源电流的增大，薄膜表面逐渐出现一些凹坑，电流越大，这种现象越明显，这点从图1 也可以看出大致趋势。这些凹坑是由于溅射到表面的熔滴颗粒脱落而形成的。弧源电流增大，溅射液滴颗粒飞行速度大，在等离子气氛中来不及与其它粒子发生碰撞而直接到达衬底(样品)表面，如果这些熔滴颗粒不能被二次反向溅射掉(图2 中D)，将一直留在薄膜中，有些大的颗粒甚至从衬底贯穿整个薄膜(图3 箭头A、B所示)，弧源电流越大，这种现象将会越明显。
图3 贯穿TiN 薄膜的熔滴大颗粒
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不同弧源电流TiN薄膜的表面形貌及其摩擦学性能研究
