磁控濺射TiN薄膜工藝優(yōu)化及其結(jié)構(gòu)性能研究.pdf

1、TiN是第一個(gè)產(chǎn)業(yè)化并廣泛應(yīng)用的硬質(zhì)薄膜材料，作為薄膜材料研究的基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于它的制備和研究一直非常活躍。本課題組曾對(duì)TiN薄膜進(jìn)行了制備，但是薄膜顏色呈棕色，硬度僅為1200kg/mm<'2>，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到商用TiN裝飾膜及硬質(zhì)膜的要求。此外由于對(duì)TiN薄膜制備參數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)及性能之間的關(guān)系了解甚少，無法對(duì)TiN薄膜的結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行靈活有效的控制。這也在一定程度限制了以TiN薄膜為基礎(chǔ)的多元薄膜的研究工作進(jìn)一步開展。 本文采用

2、反應(yīng)磁控濺射法制備TiN薄膜，以提高TiN薄膜裝飾性能及力學(xué)性能為目的，對(duì)TiN薄膜制備工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了襯底偏壓及濺射功率等重要工藝參數(shù)對(duì)TiN薄膜結(jié)構(gòu)及性能的影響規(guī)律及影響機(jī)制，還討論了襯底材料對(duì)TiN薄膜生長(zhǎng)的影響。 通過調(diào)整N<,2>流量、濺射功率和偏壓等工藝參數(shù)對(duì)TiN薄膜的顏色及力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的TiN薄膜顏色金黃，光澤度好，完全滿足仿金裝飾膜的要求；薄膜硬度從1200kg/mm<'2>

3、提高到2400kg/mm<'2>，完全達(dá)到商用硬質(zhì)膜的要求；通過增加適當(dāng)厚度中間Ti層該薄膜與高速鋼襯底結(jié)合良好；薄膜的微觀結(jié)構(gòu)從粗大的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米尺寸的致密結(jié)構(gòu)。 偏壓是影響薄膜結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)鍵工藝參數(shù)。偏壓有利于TiN薄膜{111}擇優(yōu)生長(zhǎng)，使薄膜晶粒顯著細(xì)化。偏壓使TiN薄膜表面粗糙度降低并且表面致密，從而增加薄膜對(duì)光線的反射率，改變薄膜的顏色；偏壓使TiN薄膜硬度顯著增加，能夠達(dá)到2400kg/mm<'2>。偏壓使薄

4、膜顏色優(yōu)化和硬度提高都是晶粒細(xì)化導(dǎo)致的。此外偏壓會(huì)使薄膜內(nèi)應(yīng)力增大，導(dǎo)致薄膜與襯底間的結(jié)合性能下降。 功率是影響薄膜結(jié)構(gòu)和性能的另一個(gè)重要參數(shù)。TiN薄膜中Ti/N原子比和薄膜沉積速率均隨功率增大而增加；功率通過改變膜層中Ti/N原子含量比來影響TiN薄膜的顏色，功率較大時(shí)，薄膜呈銀白色，功率較小時(shí)，薄膜呈棕色。 襯底材料會(huì)影響TiN薄膜的微觀結(jié)構(gòu)以及薄膜與襯底間的結(jié)合性能。特別是在偏壓條件下沉積薄膜時(shí)，襯底材料本身的物