pcvd在狹縫內(nèi)壁沉積ti-si-n薄膜的研究

1、第 2 4卷 第 4期 2 O O 4 年 7 、 8 月真 空 科 學 與 技 術 學 報 V A C U U MS C I E N C EA N DT E C H N O L O G Y ( C H I N A )2 9 3P C V D在狹縫 內(nèi)壁沉積 T i — S i — N薄膜 的研究 馬青松 馬勝利 徐 可為( 西安交通大學金屬材料強度 國家重點實驗室 西安 7 1 0 0 4 9 )Ti · S i 

2、3; N Co a t i n go nS l i tI n n e rW a l l sb yP l a s maEn h a n c e dCh e m i c a lVa p o rDe p o s i t i o nM aQ i n g s o n g ， M aS h e n g l ia n dX uK e w e i( S t a t e - K e yl a b o r a t o r y f o rM e c h a

3、 n i c a lB e h a v i o r0 廠 脅船 ， X i ’ 肌 J i a o t o n gU n i v e r s i t y ， X i ’ m ， 7 1 0 0 4 9 ， C h ／ n a )A b s t r a c tT i — S i ． Nf i l m sw e r ec o a t e do ni n n e rw a l l so fa3I n t od es l i to fh i g

4、 hs p e e ds t e e l ( H S S )b yp u l s e dd ． C ．p l a s m ae n h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n( P C V D )t os i m u l a t ef i l mg r o w t ho ns u r f a c e so fm o u l ~ a n dd i e sw i t hc o

5、 m p l i c a t e d g e o m e t r y ． 1 1 1 ec o at i n gw e r es t u d i e d w i t hX — r a yd i f r a c t i o n ( X R D ) a n dX — r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( X P S ) ． We & s e r v e dt

6、 h a ta st h em e a s u r e ds p o tg o e sd ep e rd o w nt h et ，t h ef i l m t h i c k n e s s ． i t smi c r o - h a r d n e s sa s we l la s t heT ic o n t e n td e c r e a s e， b u tt heS ic o n t e n ti n c r e a

7、 s e s ． T h ems u lt s s h o w t h a tc r y s t a l l i n eT i N n a n o -p a r t i c l e sc o ex i s tw i t ha mo r p h o u sS i 3 N 4t h r o u g h o u tt hef i l m s ．Ke y wo r d sP C VD ， Ti — S i — N ， C o mp l e

8、 x — s h a p e ds u r f a c e ， Mo u l d摘要 用脈沖直流等離子體輔助化學氣相沉積( P C V O ) 設備在狹縫的側(cè)壁上沉積 T i — S i — N薄膜。經(jīng)微觀物相分析發(fā)現(xiàn) ， 在 狹縫的側(cè)壁上隨著測試深度的增加 ， 薄膜 中 T i 元素逐漸減少 ， s i 含量增加 ， 薄膜 的相組成始終為 B C — T i N ／ S i 3 N 4 。利用球痕法測 定 了各深度處薄膜的厚度 ， 顯

9、微硬度儀測試了側(cè)壁上深度不 同位置處薄膜顯微硬度。實驗結果表明， 隨測試深度增加 ， 薄膜 厚度和顯微硬度下降。關鍵詞 P C V DT i — S i — N 復雜型腔 模具 中圖分類號 ： T G 1 7 4 ． 4 4文獻標識碼 ： A文章編號 ： 1 6 7 2 — 7 1 2 6 ( 2 0 0 4 ) 0 4 - 0 2 9 3 - 0 3研究和實踐證 明 ， 模具 在經(jīng) 過 常規(guī)熱 處理 獲得 良 好的強韌性后， 再進行表

10、面鍍膜處理可以獲得表面高 硬 度 ? 1、 耐 磨 損[，、 抗 氧 化 l，J 和 低 摩 擦 系數(shù)l 6J 等多種優(yōu)良性能。但工業(yè)應用中， 大部分模具 的工作表面存在復雜形狀的型腔 ， 而 目前各種鍍膜 技術制備的薄膜樣品均是外露 自 然表面， 對其結構、性能的評價也是建立在沉積于這些 自 然表面基體的薄膜 。深孔 、 盲孔及 狹縫 內(nèi)表 面均勻沉 積 的能 力及 與外表 面在結 構和性能上 的差異 尚未見報道 。脈 沖 直流 P

11、C V D 技術通過引入脈 沖直流等離子體， 可在 模具的狹縫 、 深孔等部位較容易地建立起穩(wěn)定的輝 光放 電場 ， 達 到在復雜 的型腔 表 面沉 積 均勻 鍍層 的 目的 。本文用一定寬度 的狹縫模擬模具 表面的復雜 型腔 ， 通過測試 沉積 在狹縫 內(nèi)壁 的 — S i — N薄 膜 的組 織和性能來評價脈 沖直 流 P C V D技術 對復 雜型腔模 具 內(nèi)表面 的強化處理 能力 。l 實驗方法 1 ． 1 試樣 制備 實驗 選

12、 用 的 基 體 材 料 為 W1 8 C r 4 V 高 速 鋼 ( H s S ) ， 尺寸為 2 0n l i n ×2 0n l i n ×6n l i n ， 常規(guī) 熱處 理 ( HR C 6 2 ) 后拋光 。實驗 中用 寬為 3t o n i 的狹縫模 擬 模具表面 的復 雜 型腔 ， 設計 加工 厚 度為 3l ／ l l n 、 內(nèi)部 空間長寬均為 1 5l n l T l 的 u型鋼板。沉積前 ，

13、 將尺寸 為 2 0m m×2 0l ／ l l n ×6m i l l 的 H S S 基體夾 緊并用 螺栓 固定在鋼板兩側(cè) ， 形成以 H S S 作為側(cè)壁 的狹縫 ， 見 圖 1 。各試樣經(jīng)丙酮 、 酒精超 聲 清洗并 干燥 ， 在本 實 驗室 自制 的 內(nèi) 熱 式 P C V D 真 空 爐 ( 有 效 容 積 收稿 日期 ： 2 0 0 3 — 1 0 - 1 3基金項 目： 國家 8 6 3 高技術項 目

14、( N o ． 2 0 0 1 A A 3 3 8 0 1 0 ) ； 國家 自然科學基金項 目( N o ． 5 0 2 7 1 0 5 3 ) ； 教育部博士點基金項 目( N o ． ~ 8 0 1 6 )* 聯(lián) 系 人 ： 教 授 ， T e h 0 2 9 — 2 6 6 8 3 9 5 ， F a x ： 0 2 9 — 2 6 6 3 4 5 3 ， E — m a i l ： k w x u @m a i l ． x j

15、 n 1 ． e d u ． c n維普資訊 http://www.cqvip.com 第 4 期 馬青松等： P C V D在狹縫內(nèi)壁沉積 T i — S i — N薄膜的研究 2 9 5能譜 儀測得 T i 、 S i 兩元素 的含 量 隨測 試深度 的 變化 見圖 4 。深 度較 淺 部位 0 ． 5r a i n處所 測 得 的元 素含量應與置于 自 然外露表面成分相當， 在狹縫 內(nèi)部測試深度 5r a i n 前 ， 隨著

16、 深度增 加 ， 薄膜 中兩 元素 的含 量變 化 不 明顯 ， T i 含 量 稍有增 加 ， S i 含量 有 少 量 下降 。測試深度 超過 5m i l l 后 ， 薄膜 中的 S i 元素 含量急劇增大 ， 同時 T i 含量明顯下降。這反映了兩 元素對狹縫空間穿透能力的差別。圖 4 狹縫側(cè)壁上不 同深度 D處 T i — S i ． N薄膜 中T i 、 s i 元素含量變化 F i g． 4T i ， S ic o n t

17、 e n to ft h eT i - S i — N c o a t i n g sa tv a r i o u sd e p t h sD 在置于等離子體空間的試樣上沉積的 T i ． S i ． N薄膜 X R D譜見圖 5 。由于薄膜較薄， 基體的衍射峰 比較強。薄膜中出現(xiàn)了 T i N ． ( 2 0 0 ) 擇優(yōu)取 向， 同時存 在 T i N ． ( 1 1 1 ) 和 T i N ． ( 2 2 0 ) 晶粒取 向。圖

18、 5T i — S i — N薄膜的 X R D譜 F i g． 5X - r a yd i f r a c t i o np a t t e r n so fT i — S i - N c o a t i n g sme a s u r e dd e p t h so f 0mi l l用 X P S 分 析 明確 元 素 的組 態(tài) 隨 側(cè)壁 深 度 的變 化， 薄膜各深度處 X P S 譜線見圖 6 所示。X t X 3 譜線 中僅

19、能見到 s i 3 N 4 ( ( s i 2) =1 0 1 ． 7e V ) 一種 s i 的存在 形式 。結合 X R D結 果證實 ， 這是 T i ． S i — N薄膜 中 n c ．T i N ／ a - S i 3 N 4 的典型結構 ， 其它文 獻也 有相似 的報 道 J 。X t X 3 譜 線 中沒有發(fā)現(xiàn) S i 元 素結合形 式 與測 試深 度有 明顯依賴關 系 。2m m 6mm l 0m m l 1 4l 1

20、 3l 1 ll 1 0l 0 8l 0 6l 0 5l 0 3l 0ll 0 09 89 79 5b i n d i n ge n e r g y ／ e V圖 6 薄膜不同深度處的 X P S 譜 F i g ． 6x】s p e c t r ao fT i — S i — Nc o at i n g sa tv a r i o u s d e p t h s不同深度處 薄膜 的 硬度 見 圖 7 ， 隨 測試 點 的 加 深 ，

21、 薄膜硬度逐漸降低 ， 但 即使在深寬比為 4 ． 8 處 ，薄膜 的硬度仍可達 1 4G P a ， 顯著高于基體硬度 ( 9G P a ) 。這表明脈沖直流 P C V D 技術在一定程度上具 有使復雜型腔模具內(nèi)表面的強化能力。圖 7 薄膜硬度與測試深度 D的關系 F i g ． 7Ha r d n e s so fc o at i n g sa tv a r o u s me a s u r e dd e p t h sD 模具

22、表 面復雜型腔 的 P C V D處理涉及多種 因素 ， 包括型腔 內(nèi)等離子體場的性 質(zhì)， 如氣氛的離化 率、 電子密度、 離子密度、 電子溫度、 離子溫度 、 等離 子體鞘的厚度、 鞘層內(nèi)部電場的分布等等。要深入 了解 P C V D處理復雜 型腔內(nèi)部薄膜 的組織結 構 和性 能， 必須綜合運用等離子體診斷技術 、 薄膜的微觀結 構和性能分析等手段。本文僅用狹縫實驗模擬了模 具表面的復雜型腔 ， 進一步的工作將考慮應用于實 際模具表面