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离子束辅助中频非平衡磁控溅射制备Ti-N-C膜的研究

吴宇峰  
【摘要】:本文首先对Ti-N-C膜系的硬质膜的性能、制备以及检测手段进行了综述。在此基础上,采用离子束辅助中频非平衡磁控溅射技术制备了Ti/TiN、Ti/TiN/Ti(C,N)及Ti/TiN/Ti(C,N)/TiC膜系的硬质膜。采用霍尔源作为辅助离子源,通过改变工作气氛,偏压模式,溅射电流以及辅助离子束电流在不同材料的基体上来制备一系列的试样。通过一系列的实验分析,以期得到一种制备优良性能的Ti-N-C膜系的硬质膜工艺。利用分光分度计(Spectrophotometer)、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope)、X射线衍射仪(X-ray Diffractometer)、轮廓仪(Surface Profilometer)和纳米力学综合测试仪(Nano Mechanics Testing System)等分析仪器对膜的颜色、表面形貌、晶体结构、表面粗糙度以及硬度等性能进行检测分析,得到以下实验结果及分析结论: (1)中频非平衡磁控溅射对气氛非常敏感,制备TiN膜层过程中氮气的通入量变化超过5sccm,颜色会发生巨大的变化。制备Ti(C,N)膜层过程中乙炔和氮气比例从1:1变化到2:1颜色发生巨大的变化。非平衡的磁场虽然对空间的离子浓度有一定的增加作用,然而在整个磁控溅射的过程中空间的等离子体密度仍然比较小的情况下,反应溅射中工作气氛的微小变化仍然可能会引起表面膜层颜色的相当大的变化。 (2)利用中频非平衡磁控溅射镀制的TiN具有(111)择优取向,Ti(C,N)择优取向不是非常明显,主要是(111)和(200)的取向差不多。当乙炔和氮气的比例比较大的时候,出现比较明显的(200)择优取向。非平衡磁控溅射技术和其他的PVD技术制备的TiN和Ti(C,N)相比,晶体择优取向并没有明显的变化,因此它们具有相近似的性质。非平衡的磁场并不会影响生成物的择优取向。 (3)基体的硬度有利于提高膜层最终的复合硬度和膜层的结合力。在Ti(C,N)制备过程中,乙炔的过量反而硬度会减小。基体和膜层材料的性质越接近越能使膜层的表面改性作用越明显。 (4)在镀膜过程中施加霍尔电流,可以有效地增加膜基结合力。霍尔电流不仅使得空间等离子浓度增加,使得反应镀膜过程得以更加容易的进行,而且提高了膜层的纯度。由于霍尔电流对工件的不断轰击作用使得工件本身的温度升高,结合力不牢固的膜层被剥离,在能量足够的情况下还能够使膜层和基体材料产生渗的现象,从而使膜层结合地更加牢固。


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