Вплив негативного сприйняття на структуру та швидкість осадження плівок TiN з багатошаровим іонним покриттям

Використовуючи обладнання для багатошарового іонного нанесення покриттів на тонкоплівку TiN на поверхні полірованої високошвидкісної сталі, при інших параметрах незмінних досліджували вплив напруги зміщення на швидкість осадження тонкої плівки. Експериментальні результати показали, що при збільшенні негативного зміщення швидкість осадження постійно зростає, але після того, як негативні зміщення досягають певного значення, швидкість осадження зменшується з збільшенням напруги зміщення.

Завдяки своїй високій твердості, низькому коефіцієнту тертя, гарній хімічній інертності, унікальному кольору та гарній біосумісності, плівки TiN широко використовуються в механічній, пластмасовій, текстильній, медичній промисловості, мікроелектроніці та інших галузях промисловості. Вона стала однією з найбільш широко використовуваних тонкоплівкових матеріалів у промислових дослідженнях та застосуванні. Існує багато способів отримання плівок TiN, серед яких багатоядерне іонне покриття є однією з найбільш широко використовуваних технологій в галузі сьогодні. Ця технологія виникла в 60-ті роки та була швидко розвивається з того часу. Тонка плівка з багатошаровим іонним покриттям має такі переваги, як міцна адгезія плівки, висока щільність плівкового шару, широкий діапазон матеріалів, які можна покривати, добре покривати навколо, а також низька температура осадження. Однак існує безліч факторів, які впливають на якість плівки під час процесу нанесення покриттів. Вітчизняні та міжнародні дослідження показали, що основними параметрами процесу, що впливають на багатошарове іонне покриття, є потоки цільового катодного тиску, тиск реакційного газу, негативний зміщення субстрату, парціальний тиск азоту та температура осадження підкладки.

У даній роботі ми в основному вивчаємо вплив негативного зміщення на швидкість осадження. Коли підкладка буде негативно зміщена, іони в плазмі будуть прискорюватися за рахунок негативного зміщення електричного поля до субстрату. Потрапляючи на поверхню субстрату, іони бомбардують субстрат і передають енергію, отриману від електричного поля до субстрату, що викликає підвищення температури підкладки. Тому напруга негативного зміщення субстрату має великий вплив на швидкість осадження, внутрішній залишковий напруга, силу зв'язування плівки та підкладки, фрикційні властивості мембрани / основи в процесі покриття. Зміна негативних зміщень субстрату дозволяє регулювати енергію осаджених іонів і температуру поверхні підкладки для контролю якості покриття. Вивчено вплив негативного упередження на структуру та властивості багатошарового іонного покриття TiN. Проте ефект негативного зміщення на швидкість осадження тонких плівок рідко повідомляється. Ця стаття має на меті вивчити вплив негативного зміщення на швидкість осадження плівки.

1. Експериментальний метод

Полірована високошвидкісна сталь використовується як основний матеріал. Зразок промивають ультразвуковим способом абсолютним етанолом протягом 20 хв, а потім поверхню субстрату стирають абсолютним розчином етанолу та ацетону, потім сушать і багаторазово поміщають на основу каркасу багатоканальної іонної системи покриття, відстань між ціллю і субстратом 250 мм. Коли вакуумну камеру накачали до фонового вакууму 2,6 × 10 -3 Па, газ аргону був заряджений до 5 Па ~ 10 Па, а на оброблювану деталь нанесли негативну напругу зміщення 500 В. Після підтримки протягом 2 хв до 3 хв напруга підвищувалася до 900 В. Аргоновий газ утворює плавлення лаванди під дією низьковольтного розряду, і під дією електричного поля іони аргону бомбардують заготовку. Після промивання світлом газ аргону знижується до приблизно 2 Па, напруга негативного зміщення 900 В наносять на заготовку, а мішень Ті запалює, потім субстрат бомбардується іонами високих енергій металів. Після очищення негативні напруги зміщення регулювалися до 0 В, -50 В, -100 В, -150 В, -200 В та -250 В відповідно. І фільми Тіні були депоновані. Під час процесу нанесення покриттів напруга дуги U = 20 В, дуговий струм I = 65 А, а час осадження становив 30 хв. Рентгенівська дифракція була використана для аналізу фазової структури плівки. Мікроструктуру покриття було проаналізовано скануючою електронною мікроскопією. Товщина плівки вимірюється за допомогою профілератора XP-2. Потім розраховується швидкість осадження на основі вимірюваної товщини та часу осадження.

2. Результати та аналіз

2.1. Фазова структура плівки під різними упередженнями

На рисунку 1 показана рентгеноструктурна картина плівки. Аналіз показує, що фазовий склад плівки являє собою фазу TiN. Коли не застосовується похибка, можна спостерігати дифракційні піки, що відповідають площинам кристала TiN (200) та (220), але дифракційний пік (111) майже дорівнює нулю. Найсильніший пік цієї лінії - з бази Fe (111), що вказує на те, що товщина плівки невелика, а рентгенівські промені проникли в субстрат. Зі збільшенням напруги зміщення починає з'являтися орієнтація (111) кристала, а (200) переважна орієнтація відносно ослаблена. Коли напруга зміщення досягає 200 В, плівка TiN показує сильну (111) перевагу. Відзначимо, що пік Fe (111) поступово слабшає, коли зростає напруга зміщення, що вказує на поступове збільшення товщини плівки.

Рисунок 1 Дифракційна картина XRD плівок TiN, отриманих під різними напругами зміщення

2.2. Покриття поверхневої морфології

Рис.2 Поверхнева морфологія покриття TiN

У багатошаровому іонному покритті на поверхні є дисперсні частинки. Як правило, вважається, що ціль розтоплюється у крихітні краплі під високою температурою місцевої дуги і викидається, а потім приклеюється до поверхні покриття у формі твердих частинок. Твердість цих областей нижче, ніж плівки TiN. Ці м'які плями завдають шкоди продуктивності інструменту з покриттям, а також зменшують обробку поверхні інструменту. Скануючи електронну мікроскопію, можна спостерігати, що частинки на поверхні TiN, як правило, перебувають у діапазоні від 1 мкм до 2 мкм, а кількість часток до 5 мкм невелика.