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，與傳統(tǒng)的電弧離子鍍技術相比，它具有沉積溫度低、殘余應力小、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，在分析其結構和性能的基礎上，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的價電子結構和Ti/TiN、TiN/TiC及TiN/NbN的界面電子結構；該文還在以往硬化機制模型的基礎上，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)的多層調制結構，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)的基礎上，采用正交設計法分析了脈沖偏壓參數(shù)對多層薄膜顯微硬度、膜基結合力及抗滑動磨損性能的影響。正交設計實驗結果表明，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構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制周期和周期比的Ti/TiN多層薄膜。結果表明，多層薄膜的性能與其調制周期和周期比有關，在調制周期為46nm時，其硬度達到了43.6GPa，獲得了超硬效應。多層薄膜的抗滑動磨損性能在其調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)了明顯的多層調制結構，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，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，其膜基結合力比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構的影響，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三元硬質薄膜。實驗結果表明，脈沖偏壓幅值可有效控制TiNbN三元硬質薄膜的相結構和組成，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。在此基礎上，采用交替改變偏壓幅值的方法，沉積了不同調制周期的TiNbN結構多層薄膜，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構和界面電子結構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薄膜低的膜基結合力結果一致TiN/TiC多層薄膜由于較低的界面應力，與單層TiC薄膜相比，膜基結合力得到了一定的提高，而TiNbN結構多層薄膜由于其低的界面應力，顯示出較高的膜基結合力。 最后，在以往硬化機制模型的基