POLITECHNIKA 

KOSZALIŃSKA 

 

 
 
 

 KATEDRA 

 

 INŻYNIERII  

 MATERIAŁOWEJ

 

 
 
 
 
 
 
 
 

Materiały pomocnicze do ćwiczeń laboratoryjnych z tematyki 

 
-  wyładowania elektryczne w gazach rozrzedzonych 
-  budowa i zasada działania magnetronu DC 
-  wybrane właściwości powłok uzyskiwanych metodą PVD 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
                                                                    Opracował dr Kazimierz Reszka, 
                                                                    z udziałem Patryka Śmigielskiego 

 
 
 
 

Koszalin 2004 

 

 

 

 
 
Spis treści 

 

I.   Wyładowania elektryczne w gazach rozrzedzonych 

 

1.1 Wstęp do teorii wyładowań 

1.1.1 Pojęcie energii wzbudzania i energii jonizacji 
1.1.2 Sposoby jonizacji 
1.1.3 Pojęcie przekroju czynnego i długości drogi swobodnej 

1.2 Mechanizm wyładowań 
1.3 Wyładowania anormalne w technice magnetronowej

 

 

  

II. Magnetrony 

DC 

 

2.1  Emisja elektronu z metalu, rodzaje emisji 
2.2 Oddziaływanie pola elektrycznego i magnetycznego na ładunek 

elektryczny (elektron) 

2.3  Budowa magnetronu i mechanizm rozpylania magnetronowego 
2.4  Mody pracy magnetronu 
2.5  Warunki pracy magnetronu (stabilne, niestabilne) 
2.6  Typy i układy magnetronów 

 

III.  Wybrane właściwości powłok uzyskiwanych metodą PVD 

 

3.1 Rodzaje powłok 
3.2  Modele osadzania powłok 
3.3 Przygotowanie podłoża pod powłoki 
3.4 Właściwości eksploatacyjne powłok osadzanych metodami PVD 

3.4.1 Ogólna charakterystyka 
3.4.2 Właściwości dekoracyjne 
3.4.3 Właściwości tribologiczne 
3.4.4 Właściwości antykorozyjne 
3.4.5  Właściwości optyczne i elektryczne

 

 

IV. Dodatek do ćwiczeń laboratoryjnych 

 

4.1  Budowa i zasada działania stanowiska do badań z zakresu 
 wyładowań elektrycznych 
4.2  Budowa i zasada działania stanowiska do badań z zakresu  
 

rozpylania magnetronowego PVD

 

 

 
 

1.1 Wstęp do teorii wyładowań 
 

1.1.1 Pojęcie energii wzbudzania i energii jonizacji 

 

 
 Wyładowania elektryczne możliwe są dzięki procesom wzbudzania  
i jonizacji atomów cząsteczek. Wzbudzanie atomu polega na zmianie poziomów 
energetycznych elektronów przez dostarczenie obojętnej cząsteczce kwantu 
energii. 

 

2

2

ν

⋅

= h

E

1

1

ν

⋅

= h

E

 
E

1

- kwant energii wzbudzania 

E

2

 – kwant energii wypromieniowanej 

h – stała Plancka 
ν

i

 – częstotliwość fali 

 

 

Energia wzbudzania jest najmniejszą energią potrzebną do zainicjowania 
przejścia elektronu z jednego stanu energetycznego  w drugi 

1

2

E

E

E

w

−

=

 Energii tej odpowiada napięcie wzbudzania 

Odwrotność częstotliwości promieniowania związanego z przejściem elektronu 
jest miarą długości fali.  

e

E

U

w

w

=

1

−

=

i

i

f

ν

 
 
Promieniowanie widzialne zawiera się w przedziale długości fal 
 

(

)

o

A

f

8000

4

÷

∈

 
 
gdzie dolna granica odpowiada promieniowaniu widzialnemu o kolorze 
czerwonym, natomiast górna promieniowaniu widzialnemu o kolorze 
niebieskim.  
 

2

2

ν

⋅

= h

E

1

1

ν

⋅

= h

E

Jonizacja cząsteczki związana jest z 
wybiciem elektronu obojętnej cząsteczki   
w wyniku wzajemnych zderzeń 
cząsteczek. Dzięki jonizacji zwiększa się 
ilość nośników ładunku, co sprzyja 
wyładowaniu. Najmniejsza energia 
potrzebna do wybicia elektronu, 

podobnie jak w przypadku energii wzbudzania, definiowana jest różnicą 
poziomów energetycznych E

2

 i E

1

. Napięcie jonizacji U

j

 jest z kolei stosunkiem 

energii jonizacji E

j

 do ładunku e 

 

e

Ej

U

j

=

 

1.1.Sposoby jonizacji 

 

Na ogół gazy są izolatorami, gdyż wynika to z ich obojętnych elektrycznie 
cząsteczek. Przewodnictwo elektryczne w gazie może zaistnieć tylko wtedy,  
gdy pewna część cząsteczek uległa jonizacji. Pod wpływem zewnętrznego pola 
elektrycznego swobodne ładunki zaczną się przemieszczać, tj. nastąpi przepływ 
prądu. Jonizacja gazu wymaga dostarczenia cząsteczkom energii w postaci 
energii kinetycznej (podczas ich zderzeń) lub w postaci odpowiedniego 
promieniowania.  
 
Czynnikami umożliwiającymi jonizację są: 
 

Wysoka temperatura 

 
Wzrost temperatury powoduje wzrost energii kinetycznej cząsteczek, co 
zwiększa prawdopodobieństwo zderzeń a tym samym jonizacji.  
 

Promieniowanie jonizujące( rentgenowskie,  nadfioletowe  lub jądrowe) 

 
Przykładem może być promieniowanie nadfioletowe i rentgenowskie Słońca, 
powodujące tworzenie się warstwy przewodzącej (jonosfery), sprzyjającej 
rozchodzeniu się fal radiowych. 
Warto też wiedzieć, że promieniowanie nadfioletowe, wyemitowane podczas 
wyładowania atmosferycznego i pochłonięte przez ośrodek, wpływa na dalszą 
jonizację i dalsze rozprzestrzenianie się wyładowania. 
 

Duże natężenie pola elektrycznego 

 
Duże natężenie pola elektrycznego rozpędza jony i elektrony do tak wielkiej 
prędkości, że w czasie zderzeń z obojętnymi cząsteczkami gazu te ostatnie 
ulegają dalszej jonizacji. Dzięki temu liczba jonów może się lawinowo 
zwiększyć, nawet jeśli początkowo było ich niewiele. Taki mechanizm 
wyładowania odgrywa szczególnie ważną rolę w niskich ciśnieniach, gdyż 
wtedy zderzenia jonów i cząsteczek są rzadsze, a więc długość drogi swobodnej 
jest większa.

 

 

1.1.3 Pojęcie przekroju czynnego i długości drogi swobodnej 

 
Również decydującym czynnikiem sprzyjającym wyładowaniu jest ciśnienie 
gazu, gdyż  właśnie od jego koncentracji zależy swobodny przepływ ładunku. 
Miarą koncentracji gazu jest długość drogi swobodnej 

λ

s

, zależna od ciśnienia 

gazu oraz energii kinetycznej jego cząsteczek. 

p

d

v

m

s

⋅

⋅

⋅

⋅

=

2

0

2

2

3

π

λ

 
Do analizy procesu jonizacji wprowadzono pojęcie przekroju czynnego S

c

. 

Przekrój ten jest miarą efektywnej powierzchni tarczy na zajście procesu 
jonizacji. 

Rys. 1. Model przekroju czynnego zderzenia dwóch jednakowych cząsteczek 
gazu 

Wielkość przekroju czynnego zależy od takich czynników jak położenie 
energetyczne jonizowanego poziomu, wielkość oddziaływania czy prędkość 
wzajemna poruszających się cząstek. Przekrój czynny na jonizację ma dosyć 
złożoną zależność od energii kinetycznej cząstek. W przypadku, gdy jonizowana 
cząstka spoczywa, przekrój czynny na jonizację będzie niezerowy dopiero, gdy 
energia kinetyczna jonizującego elektronu będzie większa od energii jonizacji 
Przekrój czynny osiąga maksimum przy energiach rzędu 2-3 energii jonizacji     
i następnie wolno spada aż do osiągnięcia stałej wartości.  

Rys.2. Zależność przekroju czynnego na jonizację w zależności od energii 
elektronu 

Prawdopodobieństwo jonizacji cząstki w zderzeniu z elektronem zależy od 
wielu czynników, takich jak na przykład prędkość cząstek czy energia jonizacji. 
Jeżeli energia przekazana w zderzeniu będzie mniejsza od energii jonizacji to 
jonizacja nie zaistnieje. Energie jonizacji zostały przedstawione poniżej dla 
kilku wybranych cząsteczek 

Cząsteczka 

Energia jonizacji [eV] 

H

2

O 12.6 

CO

2

14.4 

C

6

H

6

9.6 

N

2

15.5 

O

2

12.5 

Tab.1 Energie jonizacji jednokrotnej 
dla przykładowych gazów 
 
 
 
 
 
 
 
 
    W rzeczywistości bardzo rzadko możemy mówić o fizycznym uderzeniu 
jednego elektronu w drugi. Oddziaływanie tych cząstek ma naturę 
elektromagnetyczną. Wielkość przekazanej energii będzie zależała od parametru 
zderzenia. Im większy parametr zderzenia tym mniejsza będzie wielkość energii 
przekazanej w "zderzeniu". Możemy w związku z tym określić pewną graniczną 
wartość parametru zderzeniu powyżej którego przekaz energii jest 
niewystarczający na oderwanie elektronu. Wartość granicznego parametru 
zderzenia, a tym samym objętość V

c

 aktywnego obszaru jonizacji będzie rosła z 

pierwotną energią elektronu powodującego jonizację. Temu zjawisku 
zawdzięczamy wzrost prawdopodobieństwa jonizacji ze wzrostem energii 
pocisku. Jednak wielkość przekazanej energii będzie zależała nie tylko od  

parametru zderzenia, lecz również i od czasu oddziaływania cząstek. Jeżeli ten 
czas będzie zbyt krótki, to pomimo posiadania przez cząstkę wystarczającej 
energii kinetycznej proces jonizacji nie zajdzie. Powyższe ograniczenie 
powoduje, że po przekroczeniu pewnej wartości energii kinetycznej pocisku, 
prawdopodobieństwo jonizacji zaczyna spadać.  
 
1.2 Mechanizm wyładowań elektrycznych 
 
Mechanizm wyładowań elektrycznych opisuje charakterystyka  
prądowo-napięciowa. 
 

Rys.3. Charakterystyka prądowo-napięciowa wyładowania elektrycznego w 
gazie rozrzedzonym 
 
W każdym gazie znajduje się określona liczba nośników wynikających  
z oddziaływania promieniowania kosmicznego. Dzięki temu już przy 
niewielkiej różnicy potencjałów przyłożonej do zacisków anody A i katody K, 
popłynie niewielki prąd rzędu 10

-15

A. Niewielki wzrost napięcia na katodzie nie 

wywołuje wzrostu natężenia przepływu nośników (A-B strefa wyładowania 
cichego).  
Istnieje pewna wartość napięcia, w której zaczyna się proces jonizacji gazu. 
Przyłożona różnica potencjałów sprawia, że energia zderzeń jest większa od 
energii jonizacji (warunek zaistnienia procesu jonizacji) 

e

Ej

U

j

=

 
Przy tym napięciu następuje przyrost prądu spowodowany przyrostem nośników 
ładunku w wyniku jonizacji (B-C). Ten przedział prądowy odpowiada 
wyładowaniom niesamodzielnym (Townseda), tzn. że obniżenie napięcia 
zasilającego spowoduje przejście do strefy cichego wyładowania (A-B). 
Od momentu jonizacji, niewielki przyrost napięcia zasilającego powoduje 
zainicjowanie wyładowania jarzeniowego podnormalnego (przejście w obszar 
wyładowań samodzielnych). Jeżeli w układzie zasilającym obecny będzie 
opornik R o rezystancji powyżej 1M

Ω, 

 

lampa wyładowcza

R

+

-

Rys.4. Schemat układu 
lampy wyładowczej 

 
 
to między wyładowaniem Townseda a jarzeniowym wystąpi jeszcze 
wyładowanie koronowe o łagodnej charakterystyce (C-D). Ten obszar ma 
decydujące znaczenie w działaniu licznika Geigera-Mullera. Silne zewnętrzne 
promieniowanie przechodząc przez lampę wyładowczą jest w stanie uzupełnić 
ilość nośników (przez oddziaływanie jonizujące) na tyle, by przejść w obszar 
jarzeniowego wyładowania podnormalnego.Nagły spadek potencjału (C-E) to 
przejście z wyładowania jarzeniowego podnormalnego w normalne (moment 
stabilizacji napięcia jarzeniowego U

wj

)  

W tym zakresie następuje rozwinięcie poświaty przykatodowej, tj. rozwinięcie 
plamki katodowej aż do pokrycia całej katody (rys.5). Rozwinięciu towarzyszy 
silny  
 

K

I

II

III

K

K

Rys.5 Rozrost plamki 
katodowej 

 
przyrost nośników ładunków, co objawia się wzrostem prądu wyładowania bez 
konieczności zwiększania napięcia zasilającego. 

Poniżej (rys.6) przedstawione zostały rozkłady charakterystycznych wielkości w 
przestrzeni międzyelektrodowej oraz strefy wyładowania widoczne w lampie 
wyładowczej 

 
Rys.6. Rozkład charakterystycznych wielkości wyładowania w przestrzeni 
międzyelektrodowej 
 
Dokonując analizy energetycznej gazu w stanie zjonizowanym można 
stwierdzić, że ulega on przemianom energetycznym, które wyrażane są przez 
moc wydzielaną. Moc ta, bez praktycznego znaczenia, zmienia się od wartości 

niskoenergetycznych 10

-3

W (odcinek O-A, przy I=10

-15

A, U=100V) poprzez 

średnio energetyczne 1kW (odcinek F-G, przy I=1A, U=1000V) aż po 
wysokoenergetyczne 10kW (odcinek H-I, przy I=10A, U=100V). 
 

 

1.3 Wyładowania anormalne w technice magnetronowej 
 

Rys.7. Charakterystyka 
prądowo-napięciowa 
anomalnego wyładowania 
jarzeniowego 

 
Istnieje możliwość zwiększenia natężenia prądu wyładowania przez zwiększenie 
ciśnienia gazu (zwiększenie koncentracji) lub napięcia zasilającego. 
Przyrost ten zachodzi liniowo a jego zakres zwany jest zakresem wyładowań 
anormalnych (F-G). Z uwagi na możliwość precyzyjnego sterowania mocą 
wyładowania zakres ten wykorzystuje się w stałoprądowych źródłach 
rozpylających typu magnetron. Punkt G wyznacza granicę napięcia i ciśnienia 
gazu, w której jego stan energetyczny jest na tyle wysoki by przejść do 
samoistnego zapłonu wyładowania łukowego (plazmy). Wskutek spadku 
napięcia i wzrostu natężenia prądu wyładowania spada oporność gazu (G-H). 
W tym stanie o jonizacji decyduje głównie bardzo wysoka temperatura (joizacja 
termiczna), a w mniejszym stopniu potencjał pola elektrycznego (p.H). Jest to 
proces spontaniczny. Dalszy przepływ prądu jest możliwy na tyle na ile układ 
jest odporny termicznie i zabezpieczony odpowiednim opornikiem (od p.H) 
 
2.1 Emisja elektronu z metalu, rodzaje emisji 
 
Istnieją cztery mechanizmy emisji elektronów z powierzchni metalu: 

 

-  termoelektronowa – elektrony emitowane są z ogrzewanej powierzchni 

metalu; 

-  fotoelektronowa – światło padające na metal wybija z jego powierzchni 

elektrony; 

-  wtórna – wysokoenergetyczne cząstki padając na pewne substancje, 

uwalniają elektrony z ich powierzchni; 

-  polowa – silne pole elektryczne wyrywa elektrony z powierzchni metalu. 

 

W każdej temperaturze, wewnątrz metalu, istnieje pewna ilość elektronów, 
których energia jest wystarczająca do pokonania bariery potencjału, lecz prąd 
wywołany tymi elektronami jest w warunkach normalnych (tj. w temp. T=293K) 
bardzo słaby. Prąd o praktycznym znaczeniu występuje w temp. 1000K a nawet 
2500K. 

Rys.8. Zmiana potencjału na granicy metal próżnia  
 
Powyższy rysunek przedstawia energię potencjalną elektronu wewnątrz metalu 
jako funkcję odległości wzdłuż linii łączącej środki atomów. Linia pionowa 
stanowi powierzchnię metalu.  
Energia wyjścia elektronu jest równa pracy wyjścia e

ϕ.  

Gęstość prądu emisyjnego określana jest równaniem 

 

3

m

n

V

e

J

e

x

⋅

⋅

=

 

e   – elementarny ładunek 
V

x

   – prędkość elektronu w kierunku x 

n   – liczba elektronów o p

x

>p

x0

p

x

   – składowa pędu elektronu 

p

x0

   – krytyczna wartość pędu elektronu  

m   – masa elektronu 
ϕ – 

potencjał wyjścia 

 
W przypadku emisji fotoelektronowej energia kwantu światła h

ν

, padającego na 

powierzchnię metalu, musi być większa od pracy wyjścia elektronu e

ϕ.

 

 
 

 
Rys.9. Efekt oddziaływania kwantu energii świetlnej z powierzchnią katody 
 
 
Prędkość wyrzuconego z powierzchni elektronu można określić z poniższego 
przekształcenia 

 

.2 Oddziaływanie pola elektrycznego i magnetycznego na ładunek

0

2

0

2

2

m

e

h

V

V

m

e

h

x

x

ϕ

ν

ϕ

ν

−

⋅

=

⇔

=

−

 
 
 
2
 elektryczny 

(elektron) 

 
Pole magnetyczne i elektryczne są polami wektorowymi.  
W praktyce przyjęły się dwa podstawowe mechanizmy oddziaływania   
pola na ładunek elektryczny i są to: 
 

-  odchylanie toru wiązki ładunku w określonym kierunku (w polu 

magnetycznym); 

- 

ązki ładunku elektrycznego (w polu elektrycznym) 

 

echanizm oddziaływania obu pól w układzie doskonale tłumaczy zasada 

 

a. działania pól na wiązkę ładunków dodatnich 

 

przyspieszanie 

wi

M
działania spektrometru masowego. Poniżej zostały przedstawione schematy
opisujące pracę  spektrometru w przypadku: 
 

 
 
 

b. działania pól na wiązkę ładunków ujemnych (elektron) 

 
 
Rys.10. Oddziaływanie pola magnetycznego na tor lotu ładunku dodatniego i 
ujemnego 

 

Wiązka ładunku trafiając do przestrzeni przyspieszającej doznaje  

eU

V

m

eU

V

m

2

2

1

2

0

2

0

=

⇔

=

 
przyspieszenia. Energia kinetyczna elektronu określana jest zależnością 
Jak widać energia kinetyczna elektronu zależna jest od różnicy potencjałów 
przyłożonej do okładzin kondensatora płaskiego.  
Siła F z jaką pole magnetyczne odchyla wiązkę elektronów jest iloczynem 
elementarnego ładunku e, indukcji magnetycznej B oraz prędkości wejścia 
elektronu V 

Dla 

B

r

 i 

V

r

 wzajemnie prostopadłych, po przekształceniu powyższych zależności 

otrzymamy równanie  

erB

V

m

r

V

m

eBV

V

x

B

e

F

o

=

⇔

=

=

=

0

2

)

(

r

r

 

e

Um

B

r

eB

Um

r

0

1

2

0

2

2

2

−

=

⇔

=

 
Wyprowadzone równanie opisuje zależność promienia zakrzywienia od napięcia 
U i indukcji magnetycznej B. Gdybyśmy przyjęli stałe wartości U i B, to dla 
zbadanych promieni zakrzywienia r

x

 jesteśmy w stanie określić skład źródła 

elektronowego (spektralna analiza pierwiastków).  
Kierunek zakrzywienia wiązki elektronów wynika z „reguły prawoskrętnej 
śruby”. Jeśli obracamy śrubę od kierunku ruchu V cząstki (naładowanej 
dodatnio!) do kierunku wektora indukcji magnetycznej, to kierunek 
przesuwającej (wkręcającej) się śruby wyznacza kierunek wektora siły 
odchylającej F. W przypadku cząstki naładowanej ujemnie zwrot siły F  
jest przeciwny.  

Rys.11. Model reguły 
śruby prawoskrętnej dla 
ładunku dodatniego i 
ujemnego 

 
 

 
 

 
 
 

2.3 Budowa magnetronu i mechanizm rozpylania magnetronowego 

 

i

e

j

+

j

+

1

3

2

4

5

6

magnes stały magnetronu

 
Rys.12. Schemat źródła magnetronowego (przekrój) i magnesu stałego 
 
1 - target-katoda ( w naszym doświadczeniu użyto target aluminiowy) 

 

2 – anoda 

 

3 – nabiegunniki 

 

4 – przestrzeń środkowa 

 

5 – przestrzeń erozyjna 

 

6 – pobocze z warstwą ustronną 

 

Niejednorodne pole magnetyczne magnesu trwałego zakrzywia tor elektronu, 
wybitego z powierzchni targetu w wyniku bombardowania jonowego i prowadzi 
go stycznie wzdłuż linii sił pola przy powierzchni. Spiralny ruch elektronu 
zwiększa prawdopodobieństwo zderzeń a tym samym wzmocnienie jonizacji. 
Wzmocnienie to przynosi wzrost szybkości rozpylania. 
 

S
N

S

N

S

N

e

B

B

+

E

E

target

jon gazu 

atom targetu

Rys.13. Ruch elektronu w 
polu magnetycznym 
magnetronu 

 
 
2.4 Mody pracy magnetronu 
 
Rozpylanie magnetronowe może zachodzić w gazie reaktywnym. Atomy, 
cząsteczki wybite z powierzchni targetu mogą wchodzić w reakcję z 
cząsteczkami gazu reaktywnego tworząc związki. Przykładem związku może 
być azotek tytanu TiN, powstały na skutek łączenia tytanu-targetu i azotu-gazu 
reaktywnego. Stechiometria utworzonego związku określa udział pierwiastka w 
związku i przyczynia się do własności tworzonych warstw (dla związku TiN

X

 

0,7<X<0,9). Stechiometria związku zależeć będzie od modu pracy magnetronu. 
Jeżeli decydujący udział w procesie wezmą atomy-cząsteczki targetu, to będzie 
mieli mod metaliczny. Natomiast gdy przewagę w procesie będą miały atomy-
cząsteczki gazu reaktywnego to rozpylanie będzie w modzie reaktywnym.  
 
 
 

Rys.14. Charakterystyki określające warunki pracy magnetronu 
 

2.5 Warunki pracy magnetronu (stabilne, niestabilne) 
 
Przewaga atomów-cząsteczek gazu reaktywnego wpływa na charakterystykę 
pracy magnetronu. Istnieje niekorzystne zjawisko „zatruwania” targetu, kiedy 
tworzy się w obszarze pobocza strefy erozyjnej warstwa związku złożonego z 
atomów-cząsteczek targetu i gazu reaktywnego. Efektem zatrucia jest 
niekorzystny charakter rozpylania.  
Charakter pracy magnetronu określany jest przez pojęcie stabilności.  
Stabilność wyznaczana jest przez określenie różniczki cząstkowej funkcji 
będącej równaniem równowagi 

'

r

r

r

r

S

p

ϕ

ϕ

+

⋅

=

 

Gdzie: 

r

ϕ

 - natężenie przepływu gazu reaktywnego 

   -  szybkość pompowania gazu reaktywnego przez układ pompowy 

r

S

   -  natężenie przepływu gazu reaktywnego pompowanego przez  

'

r

ϕ

 rozpylanie 
   - ciśnienie cząstkowe gazu reaktywnego 

r

p

 
Różniczka po ciśnieniu cząstkowym stanowi podstawę do określenia stabilności 
pracy magnetronu. Jeżeli różniczka ta jest większa od zera (I,III), co odpowiada 
pracy w modzie metalicznym, to mówimy o stanie stabilnym. Natomiast jeżeli 
różniczka jest mniejsza od zera (II), wówczas mówimy o stanie niestabilnym – 
praca w modzie reaktywnym. 

0

a

b

A

B

C

D

c

'

,

r

r

ϕ

ϕ

const

r

=

ϕ

'

1

1

r

r

r

r

S

p

ϕ

ϕ

+

⋅

=

'

2

2

r

r

r

r

S

p

ϕ

ϕ

+

⋅

=

r

p

1

r

p

2

r

p

1

2

II

I

max

r

ϕ

0

'

1

>

+

r

r

r

dp

d

S

ϕ

0

'

1

<

+

r

r

r

dp

d

S

ϕ

Rys.15. Przebieg 
charakterystyki pracy 
magnetronu dla 
warunków stabilnych i 
niestabilnych 

 
Krzywa b przedstawia rozpylanie z efektem pętli histerezy. Powstaje ona wtedy, 
kiedy w przebiegu wystąpią dwa stany przejściowe (punkty A i C). 
Najbardziej korzystnym punktem pracy magnetronu jest punkt zbliżony do 
punktu przejścia A (stabilny-niestabilny), ponieważ w stanie stabilnym trudno 

jest uzyskać określony skład stechiometryczny. Z kolei skład ten jest łatwy do 
uzyskania w stanie niestabilnym ale występują problemy  
z „zatruwaniem” targetu.  
 
2.5 Typy i układy magnetronów 

 

Rys. 16. Rozwiązania konfiguracji układów magnetycznych do różnych typów 
magnetronów 

3.1 Powłoki, rodzaje powłok 
 
     Powłoka nałożona na podłoże składa się ze strefy zewnętrznej i strefy 
przejściowej. Strefa zewnętrzna spełnia funkcje związane z założonymi 
wcześniej właściwościami chemicznymi, mechanicznymi, elektrycznymi lub 
dekoracyjnymi. Z kolei warstwa przejściowa zapewnia adhezję lub dyfuzję 
powłoki do podłoża i kompensuje ich odkształcenia cieplne lub obciążeniowe. 
Zależnie od metod nanoszenia, łączenie warstwy przejściowej z podłożem może 
mieć charakter adhezyjny (technika naparowywania) lub dyfuzyjny (technika 
magnetronowa). 
     Bombardowanie jonowe sprzyja tworzeniu zdefektowanej punktowo 
powierzchni podłoża i narastającej warstwy,  co wpływa na siłę wiązania. 
Rozpylane atomy podłoża i narastającej warstwy odbijają się od atomów gazu, 
mieszają i wtórnie kondensują (rekondensują) na powierzchni, dzięki czemu 
istnieje możliwość tworzenia warstw z materiałów, które w warunkach 
normalnych nie mogą wzajemnie dyfundować.  
Spójne warstwy przejściowe, dobrze łączące podłoże z powłoką, tworzą 
zwłaszcza azotki i węgliki metali przejściowych z metalami przejściowymi. 

 

    Powłoki nanoszone metodami PVD można podzielić na dwie grupy: 
proste jednowarstwowe

 (monowarstwowe),  składające się z jednego materiału  

powłokowego - metalu Al., Cr, Mo, Cu..., lub faz TiN, Tic, itp.  

 

złożone

, składające się z wielu materiałów (metalu, fazy lub związku)  

Rozróżnia się pięć typów powłok złożonych 

 

 
Rys. 17 Schematy struktur powłok złożonych: a) powłoka stopowa 
(wieloskładnikowa);  

b) powłoka wielofazowa (wieloskładnikowa); c) powłoka kompozytowa 
(wieloskładnikowa);

 

d) powłoka wielowarstwowa; e) powłoka gradientowa 

 

— stopowe (wieloskładnikowe), w których podsieć jednego pierwiastka jest 
częściowo wypełniona innym pierwiastkiem metalicznym. Należą do nich 
potrójne związki węgla i azotu z metalami należącymi do IVb, Vb, VIb grupy 
układu okresowego pierwiastków, np. TiN, VN, ZrN,... , TiC, VC, ZrC itp. 
Związki te wykazują lepsze właściwości niż powłoki proste, a szeroki zakres ich 
wzajemnej rozpuszczalności umożliwia sterowanie  właściwościami; 
— wielofazowe, stanowiące mieszaninę dwóch lub więcej rozdzielnych faz 
składników, np. TiN/Ti

2

N; 

— kompozytowe, stanowiące również mieszaninę dwóch lub więcej faz i będące 
szczególnym typem powłok wielofazowych, w których jedna faza jest dyskret-
nie rozproszona w innej fazie występującej w sposób ciągły, np. TiC/Al

2

O

3

; 

— wielowarstwowe, zwane multiwarstwami lub mikrolaminatami warstwowymi, 
składające się z nałożonych na siebie kolejno warstw różnych materiałów 
(powłok prostych), o różnych właściwościach, tworzących między sobą również 
warstwy przejściowe, np. TiN/AlN. Zwykle warstwa wewnętrzna (przejściowa 
w stosunku do podłoża) zapewnia dobrą przyczepność do podłoża, jedna lub 
więcej warstw środkowych (pośrednich) zapewnia twardość i wytrzymałość 
powłoki,   a  warstwa  zewnętrzna  zapewnia  dobre  właściwości   tribologiczne 
(np. niski współczynnik tarcia), antykorozyjne (odporność na działanie różnych 
środowisk agresywnych) i dekoracyjne (barwa, połysk).  Przykładem powłoki 
wielowarstwowej,  stosowanej na narzędziach z węglików spiekanych w celu 
zwiększenia   ich   trwałości   eksploatacyjnej,   jest   powłoka   trzywarstwowa 
TiC/Ti(C,N)/TiN lub TiC/TiN/Al

2

O

3

 oraz powłoka sześciowarstwowa 

TiN/Ti(C,N)/ZrN/(Ti,Al)N/HfN/ZrN.   Dobre  połączenie  zapewniają  warstwy: 
TiC/TiN, NiCr/TiN, TiC/TiN/Al

2

O

3

, WC/TiC/TiN. 

Pojedyńcze warstwy tworzące powłokę wielowarstwową należy tak ze sobą 
kojarzyć, aby powstająca między nimi warstwa przejściowa pozwalała na 
uzyskanie jak najlepszej wzajemnej adhezji, tzn. aby warstwa przejściowa 
tworzyła spójny obszar między-fazowy. Spójne połączenie tworzą materiały 
powłokowe o wiązaniu metalicznym - z metalami lub innymi materiałami 
powłokowymi o wiązaniu metalicznym, np. TiC/TiB

2

. Słabsze połączenia 

powstają miedzy materiałami o wiązaniach metalicznych a materiałami o 
wiązaniach jonowych (i silnie zależą od składu chemicznego i budowy 
strukturalnej warstwy przejściowej), np. TiC/Al

2

O

3

. Najsłabsze połączenia 

występują między materiałami o wiązaniach kowalencyjnych a materiałami o 
wiązaniach kowalencyjnych lub jonowych, np. B

4

C. Dobre połączenia uzyskuje 

się między tymi materiałami, które się wzajemnie rozpuszczają, tworząc stopy, 
np. TiC i TiN lub A1

2

O

3

 i AIN; 

— gradientowe, stanowiące odmianę powłok wielowarstwowych, w których 
zmiana składu chemicznego i właściwości warstw pojedynczych nie następuje 

skokowo (jak przy powłokach wielowarstwowych), lecz płynnie, w sposób 
ciągły. Przykładem powłoki gradientowej jest powłoka TiN/Ti(C,N)/TiC. 
Mechanizm niszczenia mechanicznego powłoki stopowej i jej odmian jest 
zbliżony do mechanizmu niszczenia powłoki prostej, chociaż jej właściwości są 
lepsze; obydwie należą bowiem do powłok jednowarstwowych. W powłoce 
jednowarstwowej inicjacja mikropęknięć następuje zarówno od jej powierzchni, 
jak i od strony podłoża; propagacja i łączenie się mikropęknięć niszczy powłokę 
na całym jej przekroju poprzecznym (rys. 18a). Natomiast mechanizm 
niszczenia powłoki wielowarstwowej jest inny. Inicjacja mikropęknięć następuje 
głównie na powierzchni powłoki, zaś granice między warstwami zmieniają 
kierunki propagacji mikropęknięć i zwiększają trwałość mechaniczną powłoki: 
powłoka zużywa się niejako warstwowo (rys. 18b). 

 

Rys.18. Mechanizmy niszczenia mechanicznego powłok: a) 
jednowarstwowych; b) wielowarstwowych; / - schemat powłoki; //, /// - 
kolejne stadia niszczenia 

 
Najwcześniej zostały wytworzone i najczęściej są stosowane powłoki proste. 
Spośród powłok złożonych najczęściej są stosowane powłoki wielowarstwowe, 
zwykle trzy- i czterowarstwowe; maksymalna liczba warstw może dochodzić do 
kilkudziesięciu i więcej, jednakże jak dotychczas, są to tylko próby laborato-
ryjne. Perspektywiczne wydają się być powłoki gradientowe, a także powłoki 
stopowe i ich odmiany. 
 
3.2 Modele osadzania powłok 
 
W latach 60-tych podjęto próby uogólnienia wpływu parametrów osadzania 
cienkich twardych warstw metodami PVD na ich strukturę i właściwości. Jako 
podstawowy - i do dziś główny, choć nie jedyny - parametr materiałowy 
przyjęto temperaturę topnienia substratu metalowego T

t

 (w K), a jako parametr 

technologiczny osadzania, wpływający na strukturę powłoki, przyjęto 
temperaturę osadzania substratu T (temperaturę podłoża), a ściślej - ich stosunek 
T/T

t

. 

W 1969 r. W. A. Mowczan i A.W. Demczyszyn zaproponowali model tworzenia 
warstwy słuszny dla naparowania próżniowego i wyróżnili w nim trzy strefy 

struktury metalograficznej zależnie od stosunku T/T

t

 (rys. 19a). Przy T/T

t

 < 0,3 

występuje struktura I rodzaju (strefa 1), w której dominują drobne krystality: jest 
to struktura kolumnowa, porowata, zbliżona do amorficznej. Dla 0,3 < T/T

t

 < 

0,5 występuje struktura II rodzaju (strefa 2), charakteryzująca się większymi 
ziarnami kolumnowymi i znacznymi mikronierównościami powierzchni. Dla 
wartości T/T

t

 > 0,5 pojawia się gęsta struktura III rodzaju, podobna do struktury 

zrekrystalizowanej (strefa 3), o dużych ziarnach równoosiowych, 
o twardości i wytrzymałości - podobnie jak struktura II rodzaju - odpowiadają-
cych materiałowi litemu (ten typ struktury jest pożądany w warstwach bariero-
wych). W przypadku tradycyjnych metod naparowywania jedynym sposobem 
sterowania właściwościami osadzanej powłoki jest zmiana temperatury podłoża. 

 

 

 
Rys. 19. Zależność modeli struktur metalograficznych od warunków 
technologicznych osadzania powłok metodami PVD: a) model Mowczana-
Demczyszyna naparowania próżniowego; b) model Thomtona rozpylania 
katodowego i magnetronowego; c) model Messiera osadzania z wiązki jonów, T 
- temperatura substratu (podłoża), T

t

 - temperatura topnienia materiału 

odparowywanego lub rozpylanego

 

 
W metodach PVD wspomaganych plazmą (PAPVD) poprzez zmianę ciśnienia i 
energii jonów można osadzać powłoki o zadanych właściwościach w szerokim 
zakresie temperatur podłoża, przy czym jest bardzo istotne, iż temperatura 
podłoża może ulec znacznemu obniżeniu. 
W 1986 r. model Mowczana-Demczyszyna zmodyfikował J.A. Thornton, 
odnosząc go do rozpylania katodowego i magnetronowego i wprowadzając 
dodatkowy parametr - ciśnienie w strefie rozpylania. Przy starym ciśnieniu 
mieszaniny gazu tworzenie się struktury I rodzaju jest uwarunkowane słabą 
dyfuzją powierzchniową atomów; ziarna mają charakter włóknisty. 

Stymulowany wzrostem temperatury podłoża wzrost dyfuzji powierzchniowej 
powoduje powstanie struktury (przejściowej) IV rodzaju (strefa T - Thorntona), 
o drobnych zagęszczonych krystalitach włóknistych przechodzących w miarę 
wzrostu temperatury w ziarna kolumnowe. Struktura ta charakteryzuje się 
wysoką wytrzymałością i twardością przy malej plastyczności, dużą gładkością 
powierzchni i występowaniem w niej naprężeń ściskających. Ma zatem 
najkorzystniejsze właściwości fizyczne i chemiczne. Dla zakresu temperatur 
T/T

t

 > 0,5 model Thorntona jest analogiczny do modelu  

Mowczana-Demcziszina Dla całego zakresu temperatur wzrost ciśnienia gazu 
powoduje przesunięcie zakresów występowania poszczególnych rodzajów 
struktur I-IV w kierunku większych wartości stosunku T/T

t

 (rys. 19b). W 

metodach wykorzystujących rozpylanie katodowe i magnetrono-we model 
Thorntona jest do dziś powszechnie używany ze względu na swą prostotę i dużą 
zgodność z praktyką przemysłową. 
  Messier zmodyfikował model Thorntona  dla metod osadzania powłok z 
wiązek jonów, wprowadzając zamiast ciśnienia gazu w strefie rozpylania - 
energię jonów docierających do powierzchni podłoża (rys. 19c). W modelu tym 
występują te same typy struktur, co w modelu Thorntona. Dla przedziału 
stosunku temperatur 0,2 < T/T

t

 < 0,5 zakres występowania struktury T przesuwa 

się w stronę niższych temperatur. 
Przy osadzaniu powłok z wykorzystaniem jonów struktura i gładkość powłoki 
zależą od tego, czy podłoże jest spolaryzowane, czy też nie. Podczas rozpylania 
jonowego bez polaryzacji podłoża materiał powłokowy osadza się głównie na 
widocznych wierzchołkach chropowatości, a praktycznie niemal nie dociera do 
ocienionych wgłębień, w wyniku czego na wierzchołkach narastają krystality 
kolumnowe, między nimi zaś pozostają nie wypełnione materiałem, puste luki 
(rys. 20a). Przy rozpylaniu jonowym z polaryzacją podłoża wierzchołki nie-
równości są najsilniej rozpylane, a pochodzące z nich atomy odbijając się 
wstecznie od atomów gazu wypełniają wgłębienia nierówności, w które trafia 
również część atomów rozpylanych bezpośrednio ze ścian bocznych 
nierówności. W wyniku dyfuzji atomów do zagłębień powierzchnia powłoki 
podlega wygładzeniu, nie tworzy się struktura kolumnowa I, lecz struktura typu 
T. Powstanie jednej lub drugiej struktury zależy od tego, czy przeważa 
ocienianie, czy dyfuzja atomów. Ograniczenie tworzenia otwartych struktur 
strefy I i tworzenie struktur T nawet przy małych wartościach T/T

t

 wymaga 

intensywnego bombardowania jonowego, przy którym wtórne rozpylanie 
obejmuje 30-60% osadzonego materiału, i raczej chropowatej powierzchni 
podłoża. 
    We wszystkich metodach osadzania twardych powłok metodami PVD - na 
strukturę, grubość, a nawet skład stechiometryczny  osadzanych powłok wpływa 
w sposób istotny odległość od źródła par (głowicy napylającej) i odległość 
promieniowa od osi źródła (prostopadłej do powierzchni źródła). 

 

Rys. 6.20. Schematy tworzenia się struktur I i T przy rozpylaniu jonowym:  
a)  bez polaryzacji podłoża; b) z ujemną polaryzacją podłoża; 1 - struktura 

kolumnowa typu I; 

2- obszary zacieniane; 3 - struktura przejściowa typu T; 4 - wsteczne 
rozpylanie; 5 - wsteczne rozpraszanie

 

 
    Ponadto w wielu metodach osadzania można wykorzystywać specyficzne dla 
poszczególnych metod możliwości sterowania procesami, np. dogrzewanie lub 
chłodzenie podłoża, przeciwdziałanie powstawaniu kropel materiału 
powłokowego na podłożu, oczyszczanie jonowe podłoża, dawkowanie gazów 
reaktywnych, zmniejszanie lub zwiększanie intensywności odparowywania, 
rozpylania, jonizowania i in. 
    We wszystkich przypadkach osadzanie powłok metodami PVD wymaga się 
dużej precyzji prowadzenia procesów osadzania, od której - w stopniu 
większym niż przy innych metodach - zależą wyniki osadzania, oraz dobrania 
indywidualnych warunków osadzania dla każdego typu wsadu (przy tym 
niedopuszczalne jest jednoczesne osadzanie powłoki na różnych gabarytowo 
elementach wsadu, np. na cienkich wiertłach i dużych frezach obwiedniowych 
lub na elementach wsadu o różnym przeznaczeniu, np. na narzędziach 
skrawających i chirurgicznych). Źle dobrane warunki osadzania mogą w 
konsekwencji prowadzić nie do wzrostu trwałości eksploatacyjnej pokrywanych 
przedmiotów, lecz do jej obniżenia mimo pozornie dobrego wyglądu powłoki. 
 

 

3.3 Przygotowanie podłoża pod powłoki 
 
Wymagania stawiane pokrywanej powierzchni 
 
   We wszystkich metodach osadzania powłok, może z wyjątkiem metody 
impulsowo-plazmowej, dobra adhezja powłoki do podłoża i w konsekwencji 
właściwości użytkowe powłok zależą od właściwego przygotowania 
powierzchni podłoża, które z kolei zależy od pokrywanego przedmiotu i jego 

przeznaczenia. Aby powłoka spełniła swoje zadanie, powierzchnia 
pokrywanego przedmiotu powinna charakteryzować się odpowiednią: 
— twardością:   uzyskaną w wyniku obróbki cieplnej (np. hartowania i 
odpuszczania) lub cieplno-chemicznej (np. azotowania, chromowania), rzadziej 
mechanicznej; 
— gładkością: powierzchnia powinna być gładka (szlifowana lub polerowana do 
wartości R

a

 < 0,8) i nie mieć zadziorów na krawędziach; 

— czystością: na powierzchni nie mogą występować cząstki zanieczyszczeń 
mechanicznych (pyłu, kurzu), zanieczyszczenia organiczne (tłuszcze, smary, 
środki konserwujące, pot), produkty reakcji chemicznych (produkty korozji, np. 
tlenki, siarczki). 
 
Oczyszczanie wstępne 
 
   Oczyszczanie wstępne jest realizowane poza komorą roboczą napylarki. 
Polega na usunięciu, z powierzchni przedmiotu przeznaczonego do pokrywania, 
zanieczyszczeń: mechanicznych, organicznych i chemicznych. Oczyszczanie 
wstępne jest wykonywane: 
— mechanicznie:  przez usuwanie zendry i trwałych nalotów metodą śrutowania 
(wyjątkowo), bębnowania, ścierania; 
— chemicznie: przez usuwanie w kąpielach myjących tłuszczów organicznych 
metodą ich zmydlania w kąpielach zasadowych lub kwaśnych, w 
rozpuszczalnikach organicznych (np. w trójchloroetylenie - tri, lub w 
czterochloroetylenie - tetra), w ciekłym freonie;

 

— fizycznie:   przez usuwanie w kąpielach myjących zanieczyszczeń metodą 
ich rozpuszczania lub emulgowania;

 

— fizykochemicznie:   przez usuwanie poprzez odrywanie bardziej trwałych 
zanieczyszczeń w kąpielach myjących (np. rozpuszczalnikach organicznych, 
ciekłym freonie) poddanych działaniu drgań ultradźwiękowych.

 

    Nie przy wszystkich metodach osadzania i nie wszystkie przedmioty 
oczyszcza się wszystkimi - zgodnie z podaną kolejnością - sposobami. Przy 
niektórych metodach możliwe jest tylko ścieranie kurzu i smaru oraz 
odtłuszczanie chemiczne - zwykle w specjalnie przygotowanych kąpielach i 
rozpuszczalnikach organicznych. Odtłuszczanie w różnych kąpielach zwykle 
jest rozdzielone płukaniem (jednym lub dwoma) i ewentualnym suszeniem. 
Dość często jako końcowy etap oczyszczania stosuje się mycie ultradźwiękowe 
w tri. Stosowane dawniej mycie ultradźwiękowe w jednej lub dwóch różnych 
kąpielach freonu wychodzi już z użycia, głównie ze względu na szkodliwy 
wpływ freonu na atmosferę ziemską (freon prowadzi do powstawania "dziury 
ozonowej").

 

W tabl. 2 podano przykładowo schemat operacji oczyszczania wierteł  
(o średnicy 10 mm), stosowany praktycznie w MCNEMT w Radomiu.