Virkning af negative bias på strukturen og deponeringshastigheden af multi-Arc ionplating TiN-film

Ved anvendelse af multi-arc ioncoating udstyr til at deponere TiN tynd film på overfladen af poleret højhastighedstål, med andre parametre uændret, blev indflydelsen af biaspændingen på aflejringshastigheden af den tynde film undersøget. De eksperimentelle resultater viste, at med stigningen af den negative forspænding øges aflejringshastigheden kontinuerligt, men efter at den negative bias når en bestemt værdi, falder aflejringshastigheden med forøgelsen af biaspændingen.

På grund af sin høje hårdhed, lav friktionskoefficient, god kemisk inertitet, unik farve og god biokompatibilitet anvendes TiN-film i den mekaniske, plastiske, tekstil-, medicinsk industri, mikroelektronik og andre industrier. Det er blevet en af de mest anvendte tynde filmmaterialer inden for industriel forskning og anvendelse nu. Der er mange metoder til fremstilling af TiN-film, blandt hvilke multi-arc ionplating er en af de mest anvendte teknologier i branchen i dag. Denne teknologi stammer fra 60'erne og er hurtigt udviklet siden da. Den multi-arc-ionaflejrede tynde film har mange fordele såsom stærk filmabsorption, højdensitet af filmlaget, bred vifte af materialer, der kan belægges, god belægning rundt og lav aflejringstemperatur. Der er dog mange faktorer, der påvirker filmens kvalitet under belægningsprocessen. Indenlandske og internationale undersøgelser har vist, at de vigtigste procesparametre, der påvirker multi-arc-ionplating, er katodemålstrømmen, reaktionsgastrykket, substrat negativ forspænding, nitrogenpartialtryk og substrataflejringstemperatur.

I dette papir studerer vi primært indflydelsen af negativ forspænding på deponeringshastigheden. Når substratet er negativt forspændt, vil ioner i plasma blive accelereret af det negative bias elektriske felt til substratet. Når man når substratets overflade bomber ionerne underlaget og overfører energien opnået fra det elektriske felt til substratet, hvilket bevirker, at substratets temperatur stiger. Derfor har substrat negativ forspændingsspænding stor indflydelse på aflejringshastigheden, filmens indre restspænding, bindende kraft og substratets friktionsegenskaber i belægningsprocessen. Ændring af substratets negative forspænding kan justere energien af de aflejrede ioner og substratoverfladens temperatur for at kontrollere belægningskvaliteten. Indflydelsen af negativ forspænding på strukturen og egenskaberne ved multi-arc ionplating TiN er blevet undersøgt og rapporteret. Imidlertid rapporteres effekten af negativ forspænding på aflejringshastigheden af tynde film sjældent. Denne artikel har til hensigt at studere indflydelsen af negativ forspænding på filmaflejringshastigheden.

1. Eksperimentel metode

Poleret højhastighedstål anvendes som basismateriale. Prøven blev vasket ultralydt med absolut ethanol i 20 minutter, og overfladen af substratet blev derefter tørret med absolut ethanol- og acetoneopløsning, derefter tørret og gentaget anbragt på basisrammen af multi-arc ioncoating systemet, afstanden mellem mål og substrat er 250 mm. Når vakuumkammeret blev pumpet til et baggrundsvakuum på 2,6 x 10-3 Pa, blev Argon gas opladet til 5 Pa ~ 10 Pa, og en negativ forspændingsspænding på 500 V blev påført på emnet. Efter opretholdelse i 2 min til 3 min blev spændingen hævet til 900 V. Argongas danner lavendel-plasma-glød under lavspændingsudladning, og under virkningen af et elektrisk felt blokerer argonioner arbejdet. Efter glødvasken reduceres argongassen til ca. 2 Pa, en negativ forspænding på 900 V påføres emnet, og Ti-målet antændes, og substratet bombarderes med høj-energi metalioner. Efter rengøring blev de negative biaspændinger indstillet til henholdsvis 0 V, -50 V, -100 V, -150 V, -200 V og -250 V. Og TiN-film blev deponeret. Under belægningsprocessen var buespændingen U = 20 V, lysstrømmen I = 65 A og aflejringstiden 30 min. Røntgendiffraktion blev brugt til at analysere filmens fasestruktur. Mikrostrukturen af belægningen blev analyseret ved scanningelektronmikroskopi. Filmtykkelse blev målt under anvendelse af en XP-2 profiler. Aflejringshastigheden blev derefter beregnet ud fra den målte tykkelse og aflejringstid.

2. Resultater og analyse

2.1. Fasestrukturen af filmen under forskellige forstyrrelser

Figur 1 viser filmens røntgendiffraktionsmønster. Analysen viser, at filmens fasesammensætning er TiN-fase. Når der ikke påføres nogen forspænding, kan diffraktionspopper svarende til TiN (200) og (220) krystalfly observeres, men (111) diffraktions-spids er næsten nul. Den stærkeste top i denne linje er fra basen Fe (111), hvilket indikerer, at filmtykkelsen er lille, og røntgenstrålerne har trængt ind i substratet. Med den stigende forspænding begynder (111) krystalorientering at forekomme, og den (200) foretrukne orientering er forholdsvis svækket. Når biaspændingen når 200 V, viser TiN-filmen en stærk (111) præference. Vi bemærker, at Fe (111) spidsen gradvist svækkes, da forspændingen øges, hvilket tyder på, at filmtykkelsen gradvist bliver større.

Fig. 1 XRD-diffraktionsmønster af TiN-film opnået under forskellige forspændinger

2.2. Coating Surface Morphology

Fig. 2 Overflademorfologi af TiN-belægning

I multi-arc ionplating belægningen er der dispergerede partikler på overfladen. Det antages generelt, at målet smeltes i små dråber under den lokale temperaturs høje temperatur og udsprøjtes og derefter klæbes til overtræksoverfladen i form af faste partikler. Hårdheden af disse domæner er lavere end den for TiN-filmen. Disse bløde pletter er skadelige for det belagte værktøjs ydelse og reducerer også værktøjets overflade. Det kan observeres ved scanningelektronmikroskopi, at TiN-belægningsoverfladepartiklerne generelt ligger i området fra 1 μm til 2 μm, og antallet af partikler op til 5 μm er lille.