半球形工件表面Ti薄膜的制备及均匀性研究

发布时间：2020-05-08 22:53

【摘要】：真空溅射镀膜是提高零部件表面性能、延长其使用寿命的一种重要手段。然而对复杂形状工件,如头罩、凸轮、模具等,工件表面不同部位与靶材之间存在不同的角度,薄膜沉积时将产生斜入射的阴影效应,从而引起工件表面不同部位沉积薄膜厚度、结构和性能的差异。在工件服役过程中,一旦性能最薄弱处薄膜发生失效,整个工件也就不能再正常使用。因此系统掌握异形工件表面不同部位膜厚、结构和性能的均匀性分布,并针对性的进行工艺优化,对提高零部件的整体服役寿命具有十分重要的工程意义。本文以半球形工件这一具有代表性的三维实体工件作为模型工件,以金属钛膜为代表性薄膜,首先研究了直流磁控溅射(DCMS)和高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)两种方法在半球形工件内、外表面沉积薄膜的均匀性。研究结果表明HPPMS沉积薄膜的结构和性能均匀性优于DCMS方法沉积的薄膜。在此基础上,进一步研究HPPMS方法中的工艺参数对沉积薄膜均匀性的影响规律,其中重点研究了基体偏压对半球形工件内、外表面的薄膜沉积速率、薄膜结构和性能均匀性的影响规律。薄膜沉积前,在半球形工件内、外表面沿同一经线,等角度的放置(20*10mm)7片硅片。薄膜沉积后,通过台阶仪、XRD、显微压痕和SEM等手段对半球形工件内、外表面不同部位硅贴片上沉积钛膜的沉积速率、相结构、显微硬度、断面形貌进行测试和表征,在此基础上对工件内外表面沉积薄膜的均匀性进行分析。主要研究结果如下:(1)采用DCMS制备薄膜时,在半球形工件内表面,薄膜沉积速率随着样品倾斜角度的增加而增加,在工件内表面总体呈现"边缘厚底部薄"的分布规律(注:样品倾斜角是指样品所在位置的法线方向与靶材法线方向之间的夹角,其中半球形工件底部为0度,工件边缘为90度);薄膜硬度随着样品倾斜角度的增加而大幅降低;薄膜晶体结构从边缘到底部有明显的择优取向差异。在半球形工件外表面,薄膜沉积速率随着样品倾斜角的增加而降低,薄膜晶体结构的取向同样随着样品倾斜角度的变化而出现差异,薄膜硬度随着样品倾角的增加而降低。采用HPPMS制备薄膜时,在半球形工件内、外表面,薄膜沉积速率及硬度都随样品倾斜角度的增加而降低,对于半球形工件内表面薄膜晶体结构取向一致,而半球形工件外表面的薄膜晶体随角度的变化其晶面择优取向发生变化。总体说来,在半球形工件内外表面,HPPMS制备薄膜的的均匀性明显优于DCMS方法制备薄膜。(2)HPPMS制备薄膜时,随着基体偏压的增加,半球形工件内表面薄膜沉积速率降低,薄膜硬度增加;但是不同位置处薄膜沉积速率、晶体结构和硬度的差别减少,均匀性得到了提高;(3)HPPMS制备薄膜时,在半球形工件外表面,基体偏压增加能有效改善沉积薄膜硬度分布的均匀性,但对薄膜沉积速率的分布及均匀性的影响较小。随着偏压的增加工件外表面不同位置处薄膜晶面择优取向出现差异。总体说来,基体偏压对半球形工件外表面沉积薄膜的均匀性影响不如对内表面沉积薄膜均匀性影响大。本文的研究结果对了解半球工件内外表面沉积薄膜的均匀性分布及均匀性优化具有重要的参考价值。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.444

【参考文献】

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本文编号：2655164