Влияние отрицательного смещения на структуру и скорость осаждения многодуговых ионных покрытий TiN пленки

При использовании многодугового ионного покрытия для нанесения тонкой пленки TiN на поверхность полированной быстрорежущей стали с другими параметрами без изменений было исследовано влияние напряжения смещения на скорость осаждения тонкой пленки. Экспериментальные результаты показали, что при увеличении отрицательного смещения скорость осаждения непрерывно возрастает, но после того, как отрицательное смещение достигает определенного значения, скорость осаждения уменьшается с увеличением напряжения смещения.

Благодаря своей высокой твердости, низкому коэффициенту трения, хорошей химической инертности, уникальному цвету и хорошей биосовместимости, пленки TiN широко используются в механической, пластмассовой, текстильной, медицинской промышленности, микроэлектронике и других отраслях промышленности. Он стал одним из наиболее широко используемых тонкопленочных материалов в области промышленных исследований и применения. Существует много методов получения пленок TiN, среди которых многоэлектронное ионное покрытие является одной из наиболее широко используемых технологий в современной отрасли. Эта технология возникла в 60-х годах и с тех пор быстро развивается. Многодуговая ионно-осажденная тонкая пленка имеет много преимуществ, таких как сильная адгезия на основе пленки, высокая плотность слоя пленки, широкий диапазон материалов, которые могут быть покрыты, хорошее покрытие вокруг и низкая температура осаждения. Тем не менее, существует множество факторов, влияющих на качество пленки в процессе нанесения покрытия. Внутренние и международные исследования показали, что основными параметрами процесса, влияющими на многодуговое ионное покрытие, являются катодный ток-мишень, давление реакционного газа, отрицательное смещение подложки, парциальное давление азота и температура осаждения подложки.

В настоящей работе мы в основном изучаем влияние отрицательного смещения на скорость осаждения. Когда субстрат отрицательно смещен, ионы в плазме будут ускоряться электрическим полем отрицательного смещения на подложку. При достижении поверхности подложки ионы бомбардируют подложку и передают энергию, полученную из электрического поля, на подложку, что приводит к повышению температуры подложки. Поэтому отрицательное напряжение смещения подложки оказывает большое влияние на скорость осаждения, внутреннее остаточное напряжение, силу связывания пленки и подложки, фрикционные свойства мембраны / основания в процессе нанесения покрытия. Изменение отрицательного смещения подложки может регулировать энергию осажденных ионов и температуру поверхности подложки для контроля качества покрытия. Изучено влияние отрицательного смещения на структуру и свойства многолучевого ионного покрытия TiN. Однако влияние отрицательного смещения на скорость осаждения тонких пленок редко сообщается. В этой статье предполагается изучить влияние отрицательного смещения на скорость осаждения пленки.

1. Экспериментальный метод

В качестве основного материала используется полированная высокоскоростная сталь. Образец ультразвуком промывали абсолютным этанолом в течение 20 мин, а затем поверхность субстрата вытирали абсолютным раствором этанола и ацетона, затем высушивали и неоднократно помещали его на базовую раму системы с многодуговой ионной оболочкой, расстояние между мишенью и подложкой составляет 250 мм. Когда вакуумная камера закачивалась в фоновый вакуум 2,6 · 10 -3 Па, газ аргона загружался до 5 Па ~ 10 Па, а отрицательное напряжение смещения 500 В было приложено к заготовке. После выдерживания в течение от 2 мин до 3 мин напряжение повышалось до 900 В. Газ аргона образует свет лаванды плазмы при разряде низкого напряжения, и под действием электрического поля аргоновые ионы бомбардируют заготовку. После промывки свечением газ аргона уменьшается до примерно 2 Па, к заготовке прикладывается отрицательное напряжение смещения 900 В, а мишень Ti воспламеняется, затем подложка подвергается бомбардировке ионами высоких энергий. После очистки отрицательные напряжения смещения были отрегулированы на 0 В, -50 В, -100 В, -150 В, -200 В и -250 В соответственно. И пленки TiN были депонированы. Во время процесса покрытия напряжение дуги U = 20 В, ток дуги I = 65 А, а время осаждения составляло 30 мин. Для анализа фазовой структуры пленки использовали рентгеновскую дифракцию. Микроструктуру покрытия анализировали с помощью сканирующей электронной микроскопии. Толщина пленки измеряли с использованием профилировщика XP-2. Затем рассчитывали скорость осаждения на основе измеренной толщины и времени осаждения.

2. Результаты и анализ

2.1. Фазовая структура пленки при различных смещениях

На рисунке 1 показана рентгенограмма пленки. Анализ показывает, что фазовый состав пленки представляет собой фазу TiN. При отсутствии смещения могут наблюдаться дифракционные пики, соответствующие плоскостям кристалла TiN (200) и (220), но пик дифракции (111) почти равен нулю. Самый сильный пик в этой линии от основания Fe (111), что указывает на то, что толщина пленки мала и рентгеновские лучи проникли в подложку. При увеличении напряжения смещения начинает появляться ориентация кристалла (111), а предпочтительная ориентация (200) относительно ослаблена. Когда напряжение смещения достигает 200 В, пленка TiN демонстрирует сильное (111) предпочтение. Отметим, что пик Fe (111) постепенно ослабевает по мере увеличения напряжения смещения, что указывает на то, что толщина пленки постепенно увеличивается.

Рис. 1 Дифракционная картина XRD пленок TiN, полученных при различных напряжениях смещения

2.2. Морфология поверхности покрытия

Рисунок 2 Морфология поверхности покрытия TiN

В многодуговом ионизационном покрытии на поверхности имеются диспергированные частицы. Обычно считается, что мишень расплавляется в крошечные капли при высокой температуре местной дуги и выбрасывается, а затем прилипает к поверхности покрытия в виде твердых частиц. Твердость этих доменов ниже, чем у пленки TiN. Эти мягкие пятна наносят ущерб работе инструмента с покрытием, а также уменьшают чистоту поверхности инструмента. С помощью сканирующей электронной микроскопии можно наблюдать, что частицы поверхности покрытия TiN обычно находятся в диапазоне от 1 мкм до 2 мкм, а количество частиц до 5 мкм невелико.