阳极线性离子源辅助磁控溅射沉积氮化钛薄膜的研究_图文

1、阳极线性离子源辅助磁控溅射沉积氮化钛薄膜的研究*卢春灿,聂朝胤,潘 婧,贾晓芳,谢红梅,杨 娟(西南大学材料科学与工程学院,重庆400715摘要 采用阳极线性离子源辅助磁控溅射技术,通过改变氮气流量以及离子源功率,在低温(150 条件下以不锈钢为基体制备了氮化钛薄膜。采用X 射线衍射技术、显微硬度计、球盘式摩擦磨损仪、压痕法研究了薄膜的结构、硬度、耐磨性和结合强度,结果表明,采用阳极线性离子源辅助磁控溅射法在150 低温条件下能制备出具有良好特性的金黄色的氮化钛薄膜。当氮气流量为20sccm 、离子源功率为300W 时,制备的薄膜硬度达到2039H V ,且薄膜的耐磨性与结合强度最佳。离子的轰

2、击作用使薄膜的力学性能得到了较大改善。关键词 阳极线性离子源 磁控溅射 低温 氮化钛 结合强度Research on TiN Films Deposited by Anode Linear Ion S ourceAssisted Magnetron SputteringLU Chuncan,NIE Chaoyin,PAN Jin,JIA Xiaofang,XIE H ongmei,YANG Juan(Scho ol of M ater ials Science and Eng ineer ing,Southwest U niver sity,Cho ng qing 400715Abstract

3、 T iN films deposited o n stainless steel substrat e are obtained using ano de linear io n source assisted magnetro n sputtering at a lo w temperature of 150 by changing the flow o f N 2and the po wer of ion source.T he mi cr ostr ucture,micro har dness,w ear resistance and adhesion streng th o f T

4、iN films are analyzed w ith X RD,microhar d ness test ,the ball disk wear test,indentat ion method,respectively.T he results sho w that Go lden T iN f ilms can be deposit ed by anode linear ion source assist ed magnetr on sputtering at a low temperature of 150 .T he films w ith the best w ear r esis

5、t ance and adhesio n str eng th is obtained when the flow of N 2is 15sccm and the pow er of ion so ur ce is 300W ,and then r he v alue o f m icrohar dness reaches 2039H v.M echanical pro per ties of deposited f ilms can be impr oved by io n bombardment.Key words anode linear ion source,mag netro n s

6、putter ing,lo w temperatur e,T iN,adhesio n str eng th*重庆市科技攻关计划项目(CST C2008A C4017;CST C2009AB6127卢春灿:男,1983年生,硕士研究生,从事硬质薄膜研究 E mail:abcreg gie 聂朝胤:通讯作者,男,博士,教授 Email:niecy0 引言氮化钛(T iN 薄膜具有良好的化学惰性、优良的耐摩擦性能、高强度、高硬度及热硬度等特点,是目前工业研究和应用最广泛的薄膜材料之一1-3。由于电弧离子镀具有高离化率、高沉积率、高膜基结合力等优点4,目前工业制备氮化钛薄膜还是以电弧离子镀为主。然而

7、电弧离子镀的沉积温度在400 以上,不适用于一些以轴承钢(回火温度低于200 为代表的低回火温度摩擦零部件材料,不能保证其回火后的硬度。因此,为了拓展应用工件材料的种类,使T iN 薄膜更广泛地应用于摩擦零部件等领域,低温沉积TiN 薄膜技术的研究具有极其重要的意义。磁控溅射利用磁场约束等离子体,减少了离子和电子对基体的轰击,同时磁场的利用可大幅度提高沉积粒子的离化率,增强反应活性,因此可实现薄膜的低温沉积,在薄膜制备领域具有显著的优势,是在低回火温度材料上制备TiN 薄膜的有效方法之一5。尤其是近几年研究者对磁控溅射的不断改进,使薄膜的性能有了相当大的提高。汉城大学的J.J.Lee 等通过射

8、频辅助磁控溅射制备了超高硬度的T iN 涂层,其硬度超过之前报道的利用气相沉积制备的硬度6。与常规磁控溅射相比,外部离子源辅助磁控溅射技术具有更高的等离子密度和金属离化率。阳极线性离子源通过磁场将电子束缚在阳极表面附近形成高的等离子体区域,使气体离化,是磁控溅射低温沉积中理想的外部辅助离子源,但是目前国内相应的文献报道则较少。因此,本实验采用阳极线性离子源辅助磁控溅射复合技术在低温下(150 制备了T iN 薄膜,在此基础上研究了氮气流量、阳极线性离子源功率对T iN 薄膜性能的影响。1 实验薄膜沉积设备为本课题组与沈科仪合作研制的L D600型磁控溅射镀膜机。该设备配有4个矩形直流磁控靶及1

9、个阳极线性离子源。4个矩形靶采用了纯度为99.99%的T i 靶。试验基体材料为表面抛光至R a =0.081 m 、尺寸为10mm !20mm !1mm 的不锈钢片。薄膜沉积前,依次用丙酮和乙醇分别超声清洗15m in,热风吹干后放入真空室中。所用反应气体和工作气体为高纯N 2和高纯A r (纯度99.99%,背底真空为5!10-3Pa,靶基距离为80mm 。T iN 薄膜沉积的基本工艺参数为:氩气流量60sccm ,氮气流量20sccm,工作气压0.5Pa,直流靶功率2000W,阳极线性离子源功率300W,脉冲偏压100V,占空比80%,沉积温度150 ,沉积时间为2.5h,厚度2.22.

10、5 m 。沉积的基本工艺为:抽真空预热A r +清洗T i 过渡层沉积TiN 沉积 采用H XD 1000T M C 显微硬度计(载荷10g,保持时间10s测定薄膜的显微硬度,取5个点进行测量,取其平均值。采用JB 4C 表面粗糙度测量仪测表面粗糙度并运用台阶法测得薄膜的厚度。采用瑞士CSM 公司生产的球 盘式摩擦磨损试验机测定薄膜的摩擦学特性,偶件为 6mm 的GCr15,实验条件为:往复式磨损,载荷1N,滑动速度8cm/s,单次滑动距离6mm 。采用DX 2000型XRD 衍射仪分析薄膜的相成分,管电压为35kV,管电流为20mA,扫描范围2 为2080#。采用压痕法表征薄膜的结合强度,选

11、用洛氏硬度计压头,加载载荷为60kg,保持30s 。采用A xiovert 200M AT 金相显微镜观察磨痕与压痕的形貌。2 结果与分析2.1 氮气流量对薄膜硬度和结构的影响首先考察了氮气流量对薄膜性能的影响,保持基本工艺不变,氮气流量从5sccm 增加到20sccm,制备的TiN 薄膜的颜色变化为灰白色淡黄色金黄色金黄色。图1为氮气流量与薄膜显微硬度的关系。由图1可见,当初始氮气流量为5sccm 时,薄膜硬度不到1000H V,随着氮气流量的增加,薄膜硬度急剧上升,当氮气流量为15sccm 时达到最大值2134H V,而后随氮气流量的增加,薄膜硬度略微下降。氮气流量变化的影响与一些文献所报

12、道的磁控溅射氮化钛薄膜的影响一致7,8。当氮气流量较低时,靶材以金属溅射为主,等离子体中含有大量的钛中性原子,沉积薄膜中主要成分为钛,颜色为灰白色。图2为不同氮气流量的衍射图谱。 图1 氮气流量与薄膜显微硬度的关系Fig.1 Relation between the flow of N 2and themicrohar dness of film当氮气流量为10sccm 时,从图2中可以看到,在36#和37.5#分别出现了T iN (111和Ti 2N(1032个特征衍射峰,薄膜成分为T iN 和Ti 2N 两相混合物,颜色由灰白转为淡黄色且硬度显著上升。原因是,氮气流量的增加,靶材吸附的氮气

13、也增加,金属溅射逐渐过渡到以溅射化合物为主的反应溅射,钛溅射率下降,由于等离子体中钛原子含量降低,衬底附近的氮能与钛反应生成氮化物,并沉积在基片上。当氮气流量为15sccm 时,由于参加反应的氮钛比增加,特征峰T i 2N (103逐渐减弱,薄膜颜色加深;当氮气流量为20sccm 时,T i 2N 的峰消失,衍射图谱中只剩下T iN(111面的特征峰,此时参加反应的氮钛比接近11,所得薄膜是具有很强择优取向的密排T iN(111面金黄色薄膜,由于T i 2N 的硬度比T iN 的硬度大9,薄膜的硬度略微降低。图2 不同氮气流量的XRD 衍射图谱Fig.2 XRD patte rns of di

14、ffe rent flows of N 22.2 阳极线性离子源功率对薄膜性能的影响其它工艺参数不变,保持氮气流量为20sccm,改变阳极线性离子源功率,研究离子源功率对薄膜性能的影响。2.2.1 薄膜硬度与结构图3为离子源功率与硬度的关系。由图3可知,当阳极线性离子源功率为0时,制备的薄膜为淡黄色,厚度较薄且硬度低;随着功率的增大,薄膜的硬度显著上升,当功率为300W 时硬度达到最大值2039H V,但进一步增大功率到400W 时薄膜出现崩裂。图4为不同离子源功率的衍射图谱。分析图4可知,当功率为0时,衍射峰低,薄膜形成的是非晶或微晶TiN 的混合结构,随着功率的增大,薄膜衍射峰强度增加,薄

15、膜结晶度提高。其主要原因是靶材易毒化。随着靶材的毒化,粒子能量大幅降低,再加上沉积温度偏低,在没有外部离子源辅助的情况下,由于粒子能量低,到达基片的粒子不容易发生扩散与迁移,还没来得及充分定向排列就被后来的粒子掩埋,导致薄膜的结晶程度差,薄膜疏松且硬度低。增加阳极线性离子源功率,可以增加气体的离化率,增加气体反应活性,改善T iN 薄膜的结晶度。而且由于离化率的增高,导致整个沉积流能量的提高,当它与衬底附近的沉积原子发生碰撞时,由于能量转移增大,也增大了沉积粒子的动能,使沉积粒子有足够的能量发生扩散与迁移,能优化T iN 的晶粒。同时Ar +轰击会将薄膜中与钛原子结合不牢固的氮和氧杂质轰击出来

16、,降低薄膜中杂质的含量,提高 薄膜致密且硬度。但离子源功率过高,高能量的Ar +不断轰击薄膜表面,会使薄膜表面发生溅射,导致缺陷增多,内应力增大。由于薄膜与基体热膨胀系数不同,在薄膜降温的过程中内应力会进一步增大,从而导致薄膜崩裂。 2.2.2 膜基的结合强度图5为不同阳极线性离子源功率下T iN 薄膜的压痕形貌。从图5中可以看出,当离子源功率为0W 时,压痕呈现放射状脱落;当功率为100W 时,压痕周边有小块剥落;当功率为200W 时,沿着压痕边上较为规则地剥落;当功率为300W 时,压痕无明显脱落。薄膜的结合力随着离子源功率的增大而逐步改善,原因是离子源能增加气体离化率,使沉积粒子流的密度

17、及能量都得到提高,基片表面轰击、搅拌和注入作用增强,促进薄膜更完好地结晶。同时离子轰击和注入在基片表面造成Fe 原子的溅射,一方面溅射的Fe 原子在近表面处电离并与T i +一起沉积,另一方面溅射的Fe 原子与其它运动粒子一起被反射后重新沉积,能形成各种位错并促进Fe 和T i 伪扩散过渡区的形成与宽化10,11,在薄膜与基体之间的界面结合处形成%缝合&效应,消除薄膜与基体之间连接较弱的界面,从而使膜与基体结合力增加。2.2.3 薄膜的耐磨性图6为离子源功率为300W 、氮气流量为20sccm 时所制备的氮化钛薄膜的摩擦曲线。从图6中可以看出,开始的摩擦系数稳定在0.23,423m 时

18、降为0.11,1136m 时再次上升为0.39,此时薄膜已磨穿。为了研究摩擦系数变化的原因,采用金相显微镜观察氮化钛薄膜的磨痕形貌,图7是磨损距离为100m 和450m 时薄膜磨痕表面形貌的金相照片。100m 的磨痕表面有大面积转移膜,而450m 的磨痕表面转移膜面积较少,并且在磨痕边缘出现了犁沟,显示薄膜开始磨损。从磨痕形貌的变化可知,摩擦初期GCr15剥落的磨屑附着在薄膜表面,在薄膜表面形成了一层极薄的转移膜,此时主要为摩擦副与转移膜之间的磨损,摩擦系数为0.23;随着干摩擦的进行,极薄的转移膜在低剪切应力作用下在薄膜表面流动12,由于转移膜在薄膜表面长时间不停地流动,使得薄膜表面原子键断

19、裂,形成疏松的磨粒,摩擦机制转变为磨粒磨损,磨粒会磨掉附着在薄膜表面的转移膜且被压入薄膜表面进行微切屑,形成犁沟。此时由于氮化钛本身低的摩擦系数和磨粒的润滑作用,摩擦系数降低,比磨损率增大。随着摩擦距离的增大,氮化钛薄膜逐渐被磨损甚至大块脱落,当薄膜被磨穿时,摩擦系数会大幅上升。研究发现,随着功率的增大,薄膜摩擦机制转变的距离和磨穿距离同时也增大,离子源功率为0W 、100W 、200W 所对应的摩擦机制转变距离分别为0m 、78m 、143m ,而磨穿距离分别为98m 、193m 、411m 。薄膜的耐磨性与薄膜硬度和膜基结合强度密切相关。结合强度差、硬度低的薄膜,较硬的TiN 颗粒在低剪切

20、力下很容易脱落,在薄膜表面微切削时易形成犁沟,导致薄膜磨损;而膜基结合强度好、硬度高的薄膜,塑性变形越小,T iN 颗粒越不易脱落,因而薄膜的耐磨损能力越强。由以上分析可知,随着离子源功率的增大, 薄膜的耐磨损性能得到显著改善。图7 不同摩擦距离的磨痕表面形貌(500!Fig.7 Su face mor phologie s of b uffing mark with differe ntfr iction distance(500!3 结论(1阳极线性离子源辅助磁控溅射技术能在低温下成功地制备出性能理想的金黄色的氮化钛;(2随着氮气流量的增加,薄膜硬度先增后略微下降,而薄膜相结构由T i T

21、 iN 和T i 2N 两相混合物TiN,氮气流量为20sccm 时薄膜具有很强的T iN(111面择优取向,且硬度达到2046H V 。(3随着离子源功率的增大,薄膜的力学性能与结晶性得到改善,当离子源功率为300W 时,薄膜的硬度以及结合力最佳。离子轰击能促进薄膜更完好地结晶及形成伪扩散层,增强了膜基的结合力。参考文献1 H e Y uding (何玉定,H u Shejun(胡社军,Xie Guangr ong(谢光荣.A pplication and research development of T iN coating T iN(涂层应用及研究进展J.J Guang do ng U

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