脈沖偏壓電弧離子鍍沉積超硬多層薄膜.pdf

1、脈沖偏壓電弧離子鍍是近十幾年來發(fā)展起來的一種新興薄膜沉積技術(shù)，與傳統(tǒng)的電弧離子鍍技術(shù)相比，它具有沉積溫度低、殘余應(yīng)力小、晶粒細化及顆粒凈化等優(yōu)點，為沉積性能優(yōu)異的多層薄膜提供了條件。該文采用脈沖偏壓電弧離子鍍工藝，合成了Ti/TiN、TiN/TiC及TiNbN多層薄膜，在分析其結(jié)構(gòu)和性能的基礎(chǔ)上，證實了用脈沖偏壓電弧離子鍍沉積多層薄膜的可行性；然后為了探討多層薄膜的硬化機制，采用固體與分子經(jīng)驗電子理論及改進的TFD方法計算了Ti、TiN

2、、TiC及NbN的價電子結(jié)構(gòu)和Ti/TiN、TiN/TiC及TiN/NbN的界面電子結(jié)構(gòu)；該文還在以往硬化機制模型的基礎(chǔ)上，建立符合該文工藝特點的硬化機制模型，對由脈沖偏壓電弧離子鍍沉積獲得的薄膜的異常超硬效應(yīng)進行了分析。 首先，該文用SEM觀察到了Ti/TiN多層薄膜中出現(xiàn)的多層調(diào)制結(jié)構(gòu)，證實了用脈沖偏壓電弧離子鍍工藝沉積多層薄膜的可行性。然后為了深入了解脈沖偏壓電弧離子鍍的本質(zhì)規(guī)律及獲得優(yōu)化的沉積工藝，以Ti/TiN多層薄膜

3、為例，在固定其它工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用正交設(shè)計法分析了脈沖偏壓參數(shù)對多層薄膜顯微硬度、膜基結(jié)合力及抗滑動磨損性能的影響。正交設(shè)計實驗結(jié)果表明，偏壓幅值是影響多層薄膜顯微硬度的主要因素，而頻率和占空比為次要因素。隨著偏壓幅值的增大，Ti/TiN多層薄膜的顯微硬度值逐漸增加，在高偏壓幅值時多層薄膜的顯微硬度值達到29.5GPa。這說明高脈沖偏壓幅值下獲得的高能量沉積離子對薄膜組織結(jié)構(gòu)的改善是薄膜硬度提高的主要原因。而且脈沖偏壓幅值也是決定多

4、層薄膜膜基結(jié)合力和抗滑動磨損性能的主要影響參數(shù)。 然后，用獲得的優(yōu)化工藝，通過氣體交替通入控制等手段制備了不同調(diào)制周期和周期比的Ti/TiN多層薄膜。結(jié)果表明，多層薄膜的性能與其調(diào)制周期和周期比有關(guān)，在調(diào)制周期為46nm時，其硬度達到了43.6GPa，獲得了超硬效應(yīng)。多層薄膜的抗滑動磨損性能在其調(diào)制周期和單層厚度較小時達到最佳；多層薄膜的顯微硬度不是影響其抗滑動磨損性能的唯一因素。多層薄膜的膜基結(jié)合力均顯示了較高的值，最低大于7

5、0N。 為了探討不同剪切模量材料交替沉積對薄膜性質(zhì)帶來的變化，采用類似的工藝制備了TiN/TiC多層薄膜，綜合分析表明，TiN/TiC多層薄膜出現(xiàn)了明顯的多層調(diào)制結(jié)構(gòu)，界面層厚度約為（20～30）nm。與TiN和TiC單層薄膜相比，其硬度未出現(xiàn)明顯的增強效應(yīng)，但多層薄膜的摩擦系數(shù)僅為0.2左右，與Ti/TiN多層薄膜相比明顯降低，大大提高了其抗滑動磨損性能。多層薄膜由于其界面效應(yīng)，其膜基結(jié)合力比TiC單層薄膜(37N)有明顯改善

6、，最高達到了75N。 為了考察沉積離子能量對薄膜相結(jié)構(gòu)的影響，利用脈沖偏壓幅值與直流偏壓相比可大大提高的優(yōu)勢，通過改變脈沖偏壓幅值的方法，合成了TiNbN三元硬質(zhì)薄膜。實驗結(jié)果表明，脈沖偏壓幅值可有效控制TiNbN三元硬質(zhì)薄膜的相結(jié)構(gòu)和組成，隨著偏壓幅值的增加，hcp-M2N相含量明顯增加。而且薄膜的擇優(yōu)取向發(fā)生了明顯的變化，由低偏壓幅值(-300V)時的(111)晶面擇優(yōu)變?yōu)楦咂珘悍?-900V)時的(220)晶面擇優(yōu)。在較

7、高的脈沖偏壓幅值下，薄膜的晶粒尺寸得到了明顯細化。在此基礎(chǔ)上，采用交替改變偏壓幅值的方法，沉積了不同調(diào)制周期的TiNbN結(jié)構(gòu)多層薄膜，其顯微硬度在周期為56nm時達到了最高值，37.3GPa；其膜基結(jié)合力與單層TiNbN薄膜相比略有提高，顯示了多層薄膜的優(yōu)越性；但其抗滑動磨損性能未得到明顯改善。 用塊體材料的價電子結(jié)構(gòu)和界面電子結(jié)構(gòu)理論對多層薄膜的一般性能進行分析是行之有效的，計算結(jié)果表明，TiN、TiC、NbN沿著{111}面

8、切動所受的阻力的大小可表征其韌性；界面電子密度差可作為界面應(yīng)力的表征，組態(tài)數(shù)可作為界面穩(wěn)定性的度量，其中TiN/NbN界面應(yīng)力低于TiN/TiC界面，而其界面穩(wěn)定性低于TiN/TiC界面。其中TiC較低的韌性與TiC薄膜低的膜基結(jié)合力結(jié)果一致TiN/TiC多層薄膜由于較低的界面應(yīng)力，與單層TiC薄膜相比，膜基結(jié)合力得到了一定的提高，而TiNbN結(jié)構(gòu)多層薄膜由于其低的界面應(yīng)力，顯示出較高的膜基結(jié)合力。 最后，在以往硬化機制模型的基