Page 8 - 《真空与低温》2026年第2期

蒋 钊等：PVD 镀膜设备阴极系统均匀布气结构的仿真与实验优化 127

对刀具色差的影响。实验在自研的 LIP1400 型多 从上到下不同位置试件的 C 元素含量梯度变化波
弧离子镀设备中进行，真空腔体有效沉积区域为 动较大，N 元素含量梯度变化波动较小，这是由于
Ф900 mm×H1 000 mm，充气管长为 1.2 m，气孔数为 乙炔流量远小于氮气流量，气流在传输过程中流速
24 个，孔径为 0.5 mm，沿气流方向分别采用孔距相 和气压衰减所致，不同位置 C 元素含量的显著变化
等均匀布置和按渐变递减布置的布气结构。孔距 使得相应位置镀膜刀具外观颜色出现较大差异，如
渐变布气的递减步长依据仿真结果 2 mm 设置。 图 13（a）所示，上方刀具试件的颜色较深，为黄褐
采用相同的 M2 高速钢刀具试样 2 组共 6 件，每组 色，中间刀具试件呈玫瑰金色，下方刀具试件的颜
实验沿腔体高度方向按上、中、下不同位置均匀布 色较浅，为浅黄色，膜层着色不均；而在孔距渐变递
置 3 件。沉积薄膜前，保持真空腔体温度为 200 ℃， 减的布气结构条件下，从上到下不同位置试样的 C
−3
压力为 5×10 Pa，用 Ar 对试样基体进行辉光刻蚀 元素含量基本一致，偏差小于 10%，如图 13（b）所示，
30 min，负偏压为 600 V，然后采用相同的工艺参数 颜色均匀一致，呈标准的玫瑰金色，这是由于不同
沉积 TiCN 薄膜，主要参数如表 1 所列。 位置气孔出来的流速和流量均匀一致，梯度差小，

且气孔出口向下释放的气体会先冲压到腔体侧壁，

表 1 TiCN 薄膜主要沉积工艺参数
起到缓压匀气的作用，流向阴极靶面形成的等离子
Tab. 1 Key TiCN film process parameters
体密度更加均匀，因此在上、中、下刀具试件表面
工艺参数 数值
合成的 TiCN 膜层外观颜色也均匀一致。
弧电流/A 70
表 2 不同布气结构的 TiCN 膜层成分 EDS 测试结果
偏压/V 120
氮气/（cm /min） 250 Tab. 2 EDS Analysis results of TiCN film composition for
3
different gas distribution structures
3
乙炔/（cm /min） 35
氩气/（cm /min） 300 布气结构 试件位置 原子百分比/%
3
Ti N C
沉积时间/min 60
上 44.62 40.07 15.31

使 用 日 本 电子 JSM-6701F 型 带 能 谱 扫 描 的 孔距相等 中 50.12 38.42 11.46
冷场发射扫描电子显微镜对薄膜的成分进行 EDS 下 55.03 36.79 8.18
扫描分析。加速电压为 20 kV，放大倍数为 25～ 上 45.86 42.98 11.16
−9
−13
650 000，束流强度为 1×10 ～2×10 A，工作距离 孔距渐变 中 47.21 41.32 11.48
为 6.5 mm。 下 46.81 41.93 11.26

3.2 实验结果及讨论

中 中
图 12 是 TiCN 镀膜刀具试样的典型 EDS 测试 上 下 上 下
分析结果。可以看出，薄膜中含有 Ti、C 和 N 元素，
Ti 峰值最高，其他峰位为 M2 高速钢刀具本体材料
元素，未列出。

Ti
15
cps/eV 10 （a）孔距相等布气 （b）孔距渐变布气
5 N 图 13 不同布气结构的 TiCN 镀膜刀具试件颜色
C
0 Fig. 13 TiCN-coated tool samples with different gas
0 2 4 6 8 10 12 14
distribution structures
能量/keV
图 12 TiCN 镀膜刀具试样的 EDS 图谱 4 结论
Fig. 12 EDS spectrum of the TiCN-coated tool specimen
本文围绕工业化 PVD 镀膜刀具批量生产中膜
表 2 是不同布气结构下不同试件的成分分析 层外观均匀性问题，系统开展了阴极系统均匀布气
结果。可以看出，在孔距相等的布气结构条件下， 结构的研究，主要结论如下：