0 引　言

多元复合薄膜比单一组分薄膜具备更加优良的力学、光学和电学性能，其应用领域也越来越广泛^[1-5]。以TiAlN三元复合薄膜为例，TiAlN比TiN具有更高的硬度、更好的抗摩擦磨损性能、更优异的高温稳定性和抗氧化性能^[6-9]。TiAlN和TiN的晶格结构相似，Al元素的加入替代了原有位置上的Ti，这种结构具有固溶强化的效果^[10]，Al原子替代Ti原子的比例直接决定了TiAlN三元复合薄膜的性能。因此多元复合薄膜中各组分的相对含量和膜层元素的均匀性分布直接关系到薄膜的性能。对膜层中各元素组分的调控和膜层元素的均匀性分布控制是制备多元复合薄膜的关键。

目前，文献报道的TiAlN三元复合薄膜的制备工艺主要有磁控溅射^[11-12]、阴极真空电弧沉积^[13-15]。采用磁控溅射工艺制备TiAlN薄膜需要Ti/Al合金溅射靶材，合金靶材通常采用粉末冶金的方法制备，这样制备的合金靶材具有固定的Ti/Al成分比，使得膜层元素的组分不可实时调控，并且合金靶材制作困难、成本高昂。阴极真空电弧沉积具有离化率高、沉积速率快等优点。尽管阴极真空电弧存在大颗粒污染的问题，但是加装磁过滤系统可以很好的解决大颗粒污染的问题。因此磁过滤阴极真空电弧沉积技术广泛应用于各种硬质、功能薄膜、多层薄膜的制备。采用磁过滤阴极真空电弧技术制备多元复合薄膜一般有两种方案：一是和磁控溅射一样采用合金靶，这同样也受到合金靶成分比不可实时调控的限制；二是使用多个单质靶材，多套沉积系统，在基体上交替沉积。这样制备的多元复合薄膜存在组分分布不均，薄膜成分具有分层结构，且工艺复杂。

为了克服以上两种方案的不足，针对磁过滤阴极真空电弧沉积技术制备TiAlN 膜层的需要，文中设计研制了一种新型磁过滤系统，该系统简单易操作。使用该系统在制备TiAlN三元复合薄膜时不仅可以对薄膜组分进行实时调控，薄膜表面光洁度较好，而且膜层中元素分布均匀。

1 理论模型

阴极真空电弧产生的等离子体束包含电子、离子、中性原子和大颗粒。其中离子作为薄膜的成膜粒子是所需要的粒子。而中性原子和大颗粒是不被需要的粒子，应尽量剥离，特别是大颗粒，对薄膜具有致命的污染和损伤，应尽可能的完全避免。从阴极真空电弧等离子体中剥离大颗粒的方案主要有两个思路：一是从等离子体产生源头剥离，二是在等离子体传输过程中剥离。阴极真空电弧产生等离子体的物理机制决定了其必然产生大颗粒^[16-17]，所以在等离子体传输过程中剥离大颗粒成为研究的重点。目前，使用弯曲通电螺线管作为等离子体的传输导管是剥离阴极真空电弧等离子体中的大颗粒最行之有效的方法^[18]。

等离子体在电磁场中的运动即电荷粒子(电子、离子)在电磁场中的运动，运动规律由式(1)给出：

v 是粒子的速度，m 和 Q 是粒子的质量和电荷态，e是元电荷，E 和 B分别是电场强度和磁感应强度。将等离子体在电磁场中的运动简化为最简单的模型，即只考虑等离子体受外电场和外磁场的影响，忽略等离子体自身电场和磁场的耦合。等离子体在外部电磁场的作用下将会被磁化。被磁化后等离子体中的带电粒子将会在电磁场的作用下做拉莫尔(Larmor)回旋运动，运动半径由式(2)表达^[19]：

式中，r_L 拉莫尔回旋半径，v_⊥ 是垂直于磁场 B 方向的速度，ω_c 是拉莫尔回旋频率。回旋频率由式(3)给出：

对于等离子体中的电子，其速度分布近似于麦克斯韦分布，在垂直方向上的速度分布由式(4)给出：

等离子体在一个过滤器中传输，必须满足带电粒子的拉莫尔回旋半径远远小于过滤器的物理尺寸 r_filter，即：

因此过滤器的磁场由式(6)给出：

简单的计算表明：对于过滤器典型的磁场范围为:10 mT<B<100 mT，进而计算表明电子的拉莫尔回旋半径在几百微米量级，离子的拉莫尔回旋半径在几十厘米量级。因此，在过滤器中电子将会被磁化，离子和中性原子不会被磁化。被磁化了的电子在过滤器中回旋前进，牵引着离子从引出口引出。而不带电的中性原子和大颗粒不受磁场的影响，打在过滤器的壁上而剥离掉。

2 磁过滤器设计

磁过滤器的设计需要遵循以下两个原则^[20]：一是视线外原则：过滤管道需要一定的曲率，不能让大颗粒直接到达工件表面，污染工件；二是传输效率原则：在保证原则一的基础上，尽量提高等离子体的传输效率。对于多元复合薄膜磁过滤器的设计不仅要满足以上两个原则，还要保证能够对各个元素成分比进行实时调控，且从过滤器引出口引出的等离子体离子混合均匀，大颗粒较少。从而使得制备的多元复合薄膜元素成分比可控，膜层内元素分布均匀，薄膜表面光洁度较好。

根据以上规则，设计加工的多弧磁过滤系统原理图如图1所示。

该套多弧磁过滤装置主要由两个阴极弧源和一个三通管式样的磁过滤管道组成。磁过滤管道采用不锈钢制作，由两个支线管(等离子体引入管)和一个干线管(等离子体引出管)组成，彼此成120°夹角，通过连接法兰连接而成Y型。管道外绕制通电线圈，构成通电螺线管。法兰之间用橡皮圈密封且在法兰内设计有冷却水回路。该新型多弧磁过滤装置能够在支线管上装配两个阴极弧源同时工作。等离子体由两个弧源同时产生，在支线管磁场的作用下，等离子体经过滤和引导，两束等离子体汇聚进入干线管，再经干线管磁场过滤和引导后进入真空靶室，在样品台沉积成膜。图1中为等离子体的运动方向和汇聚情况。

要满足磁过滤器的设计原则，过滤器的机械尺寸和磁场强度分布需要合理匹配。对于该新型多弧磁过滤器，如果支线管与干线管机械尺寸太短，不但不能满足视线外原则，还不能形成均匀的磁场分布。如果支线管与干线管机械尺寸太长，虽然能满足视线外原则，但是等离子体的传输效率降低。另外，该过滤器支线管与干线管的磁场匹配也对等离子体的传输效率起着决定性的作用。

依据试验所采用的内径为200 mm的阳极筒，设计的磁过滤器内径也为200 mm。支线管与干线管的几何尺寸关系着过滤器内磁场是否均匀分布。获得均匀分布的磁场有利于阴极弧源的稳定运行。为了对该新型多弧磁过滤器进行优化设计，采用有限元分析的方法，确定了合理的支线管与干线管的几何尺寸和均匀的磁场分布，其结果如图2所示。从图2可知，当支线管和干线管的长度分别为180和230 mm时，过滤器不仅满足视线外原则，而且过滤器内磁场对称均匀分布。

一个磁过滤器的过滤效果通常采用过滤系数k_eff来表征。过滤系数是指从过滤器引出的离子数量与进入过滤器的离子数量之比，即：

但进入过滤器的离子数量和引出的离子数量都难以测量，所以过滤器的过滤系数难以获得真实的测量值。实际工作中通常采用系统系数 k 来表征过滤器的过滤效率。系统系数可以通过引出等离子体的离子电流与离子源的弧流来定义^[20]：

该多弧磁过滤器的系统系数可以通过固定弧流，测量引出等离子体的离子电流来确定，离子电流越大，表明过滤器的传输效率越高。引出等离子体的离子电流可以采用一个吸收电极来测量。经过磁过滤管道过滤后的等离子体到达吸收电极将形成一个电流，假设离子到达吸收电极全被吸收，那么该电流为等离子体的离子电流。

通过试验确定了该多弧磁过滤系统最大传输效率时所需要的磁场大小。在试验过程中，阴极弧源分别为Ti和Al同时工作，固定弧流为100 A，施加在过滤器上的全管正偏压为24 V。试验中发现当支线管磁场为40 mT时，磁过滤器具有最大的传输效率，事实上，适当提高支线管的磁场在一定程度上能继续增加传输效率，但是，支线管连接着弧源，继续增加支线管的磁场，对弧源的稳定工作具有一定的影响。对比支线管的磁场分别为30和40 mT时，离子电流 I_i 随干线管磁场大小的变化如图3所示。

由图3可知，当支线管的磁场分别为30 mT、40 mT时，离子电流 I_i 随干线管磁场的增加。此呈现出先增加后减小的趋势。因此，当支线管的磁场取40 mT、干线管的磁场取90 mT时，该多弧磁过滤器具有最大的传输效率。

综上，设计研制的多弧磁过滤器的最优参数为：支线管和干线管的长度分别为180 和230 mm，支线管和干线管的磁场分别为40和90 mT。在这样的参数下，该多弧磁过滤器不仅满足两个基本原则，而且弧源能够稳定工作。

采用文中设计研制的多弧磁过滤系统沉积TiAlN复合薄膜的装置如图4所示。该装置能够保证两个弧源同时独立工作，互不干扰。Ti和Al两个弧源分别产生相应元素的等离子体，分别进入磁过滤器，各元素等离子体在磁场的引导下共同进入过滤器的引出端，在等离子体传输过程中进行充分混合和过滤，并且电离N₂，使得N离子也加入混合。充分混合后的多元素等离子体最后均匀沉积在样品表面，形成TiAlN复合薄膜。实验中，其它实验条件为：样品台距离干线管引出口100 mm，样品台偏压为−100 V，靶室温度保持在200 ℃，薄膜基底为硅 (100) 面，过滤器全管正偏压为24 V。如图4所示，样品从上到下依次编号(No.1~9)，便于分析。

3 结果与分析 3.1 形貌分析

图5为多弧磁过滤器对大颗粒的过滤效果和微区表面形貌。从图5(a)SEM照片可知，该新型多弧磁过滤系统能够很好的过滤掉等离子体中的大颗粒。制备的TiAlN复合薄膜表面光洁度较好，膜层质量较高。通过原子力显微镜(AFM)对薄膜进行微区表面形貌测量，结果如图5(b)所示。AFM测量结果表明薄膜的表面粗糙镀为23.47 nm。

3.2 组分调控

图6为弧流与离子电流的关系。由图可知，弧流与离子电流具有极强的线性关系。通过调节弧源的弧流可以调节相应的离子电流大小，从而调节混合等离子体中元素的成分比，进而调节TiAlN复合薄膜中Ti原子和Al原子的成分比。

试验验证了通过调节Ti和Al的弧流来控制TiAlN复合薄膜中Ti和Al的成分及均匀性，采用EDS测量图4中1-9号试样薄膜中各元素的原子数分数。N₂流量为30 mL/min的试验结果(图7)表明：N元素在TiAlN复合薄膜中的原子数分数占比较高，达到50%左右。随着Ti和Al弧流的比值增加，Ti元素的原子数分数在TiAlN复合薄膜中占比增加，相应的Al元素的原子数分数在TiAlN复合薄膜中占比减少。特别是当Ti弧流为100 A，Al弧流为60 A时，TiAlN复合薄膜中，Ti元素的原子数分数已经大于Al元素的原子数分数。当相同弧电流下Ti和Al的组分比例不同，主要受材料的熔点影响，Al元素的熔点远低于Ti元素，导致在相同弧电流下，Al元素的原子数分数大于Ti元素的原子数分数。

当N₂流量为100 ml/min时结果如图8所示。制备的TiAlN复合薄膜中N元素原子数分数占比达到60%左右。这是因为随着N₂流量的增加，等离子体中N离子增加。与图7所示的结果相同，即随着Ti和Al弧流的比值增加，Ti元素的原子数分数在TiAlN复合薄膜中占比增加，相应的Al元素的原子数分数在TiAlN复合薄膜中占比减少。样品台上不同位置的样品中Ti、Al和N元素的成分比能够很好的保持一致，相同元素在不同位置上的原子数分数相差在5%以内。表明Ti、Al、N这3种元素在样品台上的分布均匀。有3个因素保证了Ti、Al、N 3种元素在样品台上的分布均匀。一是试验中N₂流量较大，N₂分子弥漫在整个真空腔，使得等离子体中离子的平均自由程缩短，粒子之间更加频繁的碰撞和电离导致各元素的等离子体混合更加均匀；二是样品台采用旋转靶台；三是样品台距离引出口较远，保证了等离子体充分自由扩散。

综上结果表明，采用该多弧磁过滤沉积系统制备TiAlN复合薄膜能够调控膜层中元素的成分比，并且膜层中各元素分布均匀，制备的TiAlN复合薄膜表面光洁。

4 结　论

(1) 针对现有技术制备多元复合薄膜存在合金靶制作困难、薄膜组分不可调控、薄膜元素分布不均等不足，设计加工了一套新型多弧磁过滤阴极真空电弧沉积系统来制备多元复合薄膜。该系统主要由一个Y型磁过滤器组成，能够装配两个弧源同时独立工作。

(2) 通过有限元分析和试验确定了该多弧磁过滤器的最优几何尺寸为：过滤管道内径200 mm，支线管和干线管的长度分别为180和230 mm。支线管和干线管的磁场强度分别为40 mT，90 mT。

(3) 采用Y型磁过滤系统制备了TiAlN三元复合薄膜。该Y型多弧磁过滤器能够很好的移除等离子体中的大颗粒，制备的薄膜表面光洁度高。通过调节Ti、Al两弧源的弧流可以调节薄膜中Ti、Al两元素的成分比，实现对元素比例的调控，并且制得的薄膜元素分布均匀，薄膜质量较高。