屏蔽板位置对多弧离子镀TiN薄膜表面性能的影响研究

发布时间：2021-03-01 08:29

　　研究了有无屏蔽板以及屏蔽板位置对TiN薄膜表面形貌、组织结构的影响。在多弧离子镀电弧靶前安装屏蔽板,用镜面抛光的高速钢片作基片。采用三维形貌轮廓仪、SEM、XRD表征了TiN薄膜的表面粗糙度、表面微观形貌以及内部组织结构等。结果表明,改变屏蔽板的放置位置,对基片的表面粗糙度,沉积的"大颗粒"尺寸变化以及物相组成具有显著影响:移动屏蔽板位置从距离基片为10～40 mm的过程中,基片表面粗糙度呈先变小后增大的趋势。同时,TiN晶粒择优取向由无晶形态逐渐变为显著的TiN（111）型多晶态,结晶程度逐渐增强;在有屏蔽板条件下,沉积到表面的"大颗粒"最大直径在3μm以内,而无屏蔽板条件下,约为5μm;当屏蔽板距离基片为25mm时,所得TiN薄膜的表面粗糙度为最低,为0.0179μm,"大颗粒"最大直径在1μm以内。屏蔽板位置对多弧离子镀涂层的表面形貌以及内部结构有较大影响,通过位置优选制备的TiN薄膜具有较优的综合性能。 

【文章来源】：热加工工艺. 2020,49(24)北大核心

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

实验装置及基片位置示意图

对上述实验结果的分析为：s为基片-屏蔽板距离，当10mm<s<20mm时，基片表面的离子流多由离子的绕射行为得到，绕射后，待镀离子再次受电场加速的总行程较短，离子迁移至基片中心的数量较少，总体迁移效果较差，使薄膜表面的粗糙度较大。当s>35mm时，由靶表面边缘部分直接斜射至基片表面的高能粒子流将增多，基片表面沉积的“大颗粒”数量明显增多，形成的薄膜表面的均匀性较差。当20mm<s<35mm时，到达基片的粒子源于待镀离子流绕射沉积和电弧靶表面粒子流直接斜射沉积获得，且屏蔽板阻断“大颗粒”的效果明显，待镀离子的总能量损失相对较少，且迁移行为相对充分，膜层均匀性良好。2.2 SEM测量结果与讨论

图3为各组实验后基片的表面SEM形貌。图3(a）、（b）所对应的情况为s为10、15 mm时的表面形貌，其中s代表屏蔽板与基片之间的距离。从图3(a）、（b）可清晰观察到基片表面的中心区域，存在较多的凹坑以及大面积缺陷，表面“大颗粒”的密度与尺寸从中间至四周逐渐增大，“大颗粒”的直径多在1.5μm以内，极少数沉积在基片边缘的“大颗粒”直径达2.5～3.0μm，这些尺寸较大的“大颗粒”伴随离子流绕射至基片表面的可能性较小。因此应为直接从电弧靶边缘溅射后倾斜沉积至基片表面的边缘位置，而尺寸较小的“大颗粒”为伴随着离子流绕射沉积至基片表面。多弧离子镀中的孔洞缺陷多因为表面结合情况不佳造成[19]；而由于屏蔽板的阻挡作用，待镀离子的能量较低更是严重制约离子迁移能力与膜层的均匀生长。即可认为当屏蔽板与基片的距离过近时，屏蔽板对待镀离子的绕射行为产生一定的阻碍作用，致使待镀离子在基片表面的迁移范围缩小，易对膜层造成明显的缺陷；当s为20mm，即通过图3(c）可观察到基片表面凹坑与缺陷的数量明显减少，“大颗粒”尺寸大致在1.5μm内；当s为25mm时，即通过观察图3(d）可知，基片表面平整几乎没有缺陷，且“大颗粒”的密度为所有组实验中最低，尺寸大致在1μm以内，当s为30mm时，所对应的基片表面情况图3(d）、（e）大致接近，只是“大颗粒”的数量略微增加；当s为35mm时，即通过观察图3(f）可知，“大颗粒”的数量明显回升，尺寸较前者有增大趋势；当s为40mm时，即通过观察图3(g）可知，“大颗粒”数量较前组实验呈明显增加趋势，同时尺寸相对增大；当无屏蔽板时，即通过观察图3(h）可知，“大颗粒”的尺寸为所有组中最大，但待镀离子在表面的迁移行为增强，表面孔洞缺几乎消除。2.3 XRD测量结果与分析

【参考文献】：
期刊论文
[1]电弧离子镀中大颗粒缺陷清除方法的研究现状[J]. 魏永强,侯军兴,蒋志强,田修波.  热加工工艺. 2016(06)
[2]提高离子镀涂层质量的途径[J]. 葛志宏,邓静.  热加工工艺. 2013(16)
[3]偏压对挡板电弧离子镀TiAlN涂层性能的影响[J]. 冯长杰,胡弦,江鸢飞.  南昌航空大学学报(自然科学版). 2013(02)
[4]样品位置对多弧离子镀TiAlN薄膜表面质量的影响[J]. 王喜眉,邵天敏.  稀有金属材料与工程. 2011(S2)

博士论文
[1]大面积等离子体源离子运动行为及均匀性控制研究[D]. 黄磊.哈尔滨工业大学 2013

硕士论文
[1]遮挡效应及Si、Cu改性的TiAlN涂层性能研究[D]. 胡弦.南昌航空大学 2013



本文编号：3057222