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VC和VC_XN_y薄膜的微观结构及力学性能研究

白继鹏  
【摘要】:溅射沉积的过渡族金属碳化物和氮化物薄膜由于其优异的综合性质,如:高硬度、化学性能稳定、高熔点及高电导率,引起了人们的广泛关注。虽然目前人们对硬质过渡族金属碳化物和氮化物作为功能涂层应用的研究越来越多,但是文献中关于PVD方法制备V-C体系的微观结构和力学性能研究仍比较匮乏。在本论文中,我们采用磁控溅射方法制备了一系列VC和VC_xN_y薄膜,系统研究反应气体流量、衬底偏压以及基片温度对薄膜的微观结构和力学性能的影响。主要工作归纳总结为以下两部分: (1)我们采用磁控溅射方法以CH_4/Ar为放电气体在Si(100)基片上沉积VC薄膜。主要研究CH_4流量、衬底偏压和衬底温度对VC薄膜的结构、形貌、应力、硬度以及摩擦磨损性能的影响。 随着CH_4流量的增加,VC薄膜的沉积率逐渐下降,薄膜中的应力逐渐增大。通过进行球-盘摩擦测试,CH_4流量为10sccm时的VC薄膜呈现出低摩擦系数(0.2),同时此条件下沉积的薄膜样品也表现出优良的耐磨损性能,这可归因于非晶碳组成的类石墨自润滑相的形成。 适当的增加衬底偏压将提高薄膜的沉积率,当衬底负偏压的绝对值增加到60V时,VC薄膜的沉积率最高。随着偏压的增加,薄膜的择优取向由(111)向(200)转变。另外,薄膜的应力和硬度均随着偏压的增加而增大。薄膜硬度的增加主要是由薄膜的致密化和应力的增加引起的。衬底偏压改变,薄膜的摩擦系数没有明显变化,说明该膜硬度对摩擦系数影响不明显,但是偏压的提高,薄膜的耐磨损性能得到显著改善,说明薄膜的硬度对其耐磨损性能有重要的影响。 随着基片温度的升高,VC薄膜的沉积率逐渐下降。基片温度对VC薄膜的相结构影响不大。但随着衬底温度升高,薄膜中的应力明显下降,同时薄膜的硬度及摩擦系数均有一定程度的增加。另外,薄膜的表面粗糙度随着基片温度的升高而降低。 (2)我们在Si(100)基片上以CH_4/N_2/Ar为放电气体采用反应磁控溅射法制备了一系列不同氮含量的VC_xN_y薄膜,基片温度控制为700℃。系统研究N_2流量对所制备的VC_xN_y薄膜的成分、结构、形貌、应力、硬度以及摩擦磨损性能的影响。随着N_2流量的增加,VC_xN_y薄膜中的N含量从16at.%增加到37at.%,薄膜的沉积率随之逐渐降低。薄膜中的应力随着N2流量的增加而减小。VC薄膜呈现出(111)择优取向,N引入后所制备的VCxNy薄膜都转变为(200)择优取向。可以发现较高氮含量的薄膜硬度明显增强,最高硬度可达到34GPa。细晶强化和固溶强化是硬度增强的主要原因。


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