Efecte del maluc negatiu sobre la taxa d'estructura i deposició de multiplicacions d'arc de pel·lícules TiN Films

Quan es van utilitzar equips de recobriment d'ions multi-arc per dipositar una pel·lícula prima de TiN a la superfície de l'acer polit d'alta velocitat, amb altres paràmetres sense canvis, es va investigar la influència de la tensió de polarització sobre la velocitat de deposició de la pel·lícula prima. Els resultats experimentals van mostrar que, amb l'augment del biaix negatiu, la taxa de deposició augmenta contínuament, però després que el biaix negatiu arribi a un cert valor, la taxa de deposició disminueix amb l'augment de la tensió de polarització.

Degut a la seva alta duresa, baix coeficient de fricció, bona inèrcia química, color únic i bona biocompatibilitat, les pel·lícules TiN s'utilitzen àmpliament en els sectors mecànic, plàstic, tèxtil, mèdic, microelectrònic i altres indústries. S'ha convertit en un dels materials de pel·lícula prima més utilitzats en la investigació industrial i l'aplicació ara. Hi ha molts mètodes per a la preparació de pel·lícules de TiN, entre les quals hi ha una de les tecnologies més utilitzades en la indústria avui dia. Aquesta tecnologia es va originar als anys 60 i s'ha desenvolupat ràpidament des de llavors. La pel·lícula prima dipositada amb múltiples ions té molts avantatges com l'adhesió a base de pel·lícula forta, alta densitat de la capa de pel·lícula, gran varietat de materials que es poden planxar, un bon recobriment i una baixa temperatura de deposició. No obstant això, hi ha molts factors que afecten la qualitat de la pel·lícula durant el procés de recobriment. Estudis nacionals i internacionals han demostrat que els principals paràmetres de procés que afecten el plasmat d'àrions múltiples són el corrent diana de càtode, la pressió del gas de reacció, el biaix negatiu del substrat, la pressió parcial del nitrogen i la temperatura de deposició del substrat.

En aquest article, estudiem principalment la influència del biaix negatiu en la taxa de deposició. Quan el substrat esbiaja negativament, els ions del plasma s'acceleraran amb el camp elèctric de polarització negativa al substrat. En arribar a la superfície del substrat, els ions bombardegen el substrat i transfereixen l'energia obtinguda del camp elèctric al substrat, la qual cosa fa que la temperatura del substrat augmenti. Per tant, la tensió de polarització del substrat negatiu té una gran influència sobre la velocitat de deposició, l'estrès residual intern, la força d'unió de la pel·lícula i el substrat, les propietats de fricció de la membrana / base en el procés de recobriment. Si canvieu el biaix negatiu del substrat, es pot ajustar l'energia dels ions dipositats i la temperatura de la superfície del substrat per controlar la qualitat del recobriment. S'ha estudiat i documentat la influència del biaix negatiu en l'estructura i les propietats de l'emplaçament iònic de diversos arcs. No obstant això, l'efecte del biaix negatiu sobre la taxa de deposició de les pel·lícules primes rarament es registra. Aquest article pretén estudiar la influència del biaix negatiu en la taxa de deposició de la pel·lícula.

1. Mètode experimental

L'acer polit d'alta velocitat s'utilitza com a material base. La mostra es va rentar per ultrasons amb etanol absolut durant 20 min i, a continuació, la superfície del substrat es va netejar amb solució d'etanol i acetona absoluta, després es va assecar i es va col·locar repetidament al marc de base del sistema de recobriment d'ions multi-arc, entre blanc i substrat és de 250 mm. Quan la càmera de buit es bombeja a un buit de fons de 2.6 × 10 -3 Pa, es va carregar el gas Argon a 5 Pa ~ 10 Pa, i es va aplicar una tensió de biaix negativa de 500 V a la peça. Després de mantenir durant 2 min a 3 min, la tensió es va elevar fins a 900 V. El gas Argon forma un resplendor de plasma de lavanda sota baix voltatge i, sota l'acció d'un camp elèctric, els ions d'argó bombardegen la peça. Després del rentat de resplendor, el gas d'argó es redueix a uns 2 Pa, s'aplica una tensió de biaix negativa de 900 V a la peça, i el blanc Ti s'encén, llavors el substrat es bombardeja amb ions metàl·lics d'alta energia. Després de la neteja, els voltatges de polarització negatius es van ajustar a 0 V, -50 V, -100 V, -150 V, -200 V i -250 V respectivament. Es van dipositar les pel·lícules de TiN. Durant el procés de recobriment, la tensió d'arc U = 20 V, el corrent d'arc I = 65 A, i el temps de deposició van ser de 30 min. La difracció de rajos X es va utilitzar per analitzar l'estructura de fase de la pel·lícula. La microestructura del recobriment es va analitzar mitjançant microscòpia electrònica d'escombratge. El gruix de la pel·lícula es va mesurar amb un perfilador XP-2. La velocitat de deposició es va calcular a partir del temps de deposició i el gruix mesurat.

2. Resultats i anàlisi

2.1. L'estructura de fase de la pel·lícula sota diferents biaixos

La figura 1 mostra el patró de difracció de raigs X de la pel·lícula. L'anàlisi mostra que la composició de la fase de la pel·lícula és la fase de TiN. Quan no s'aplica cap biaix, es poden observar pics de difracció corresponents als plànols de cristall TiN (200) i (220), però (111) el pic màxim de difracció és gairebé zero. El pic més fort en aquesta línia és de la base Fe (111), que indica que el gruix de la pel·lícula és petit i els rajos X han penetrat el substrat. Amb l'augment de la tensió de polarització, l'orientació de (111) de cristall comença a aparèixer, i l'orientació preferida (200) està relativament debilitada. Quan la tensió de polarització arriba als 200 V, la pel·lícula TiN mostra una forta (111) preferència. Observem que el pic de Fe (111) debilita gradualment a mesura que augmenta la tensió de polarització, la qual cosa indica que el gruix de la pel·lícula es va fent cada cop més gran.

Fig. 1 patró de difracció XRD de pel·lícules TiN obtingudes en diferents voltatges de polarització

2.2. Morfologia superficial de recobriment

Fig. 2 Morfologia superficial del recobriment TiN

En el recobriment de placa iònica de diversos arcs, hi ha partícules disperses a la superfície. En general, es creu que l'objectiu es deriva en petites gotetes sota l'alta temperatura de l'arc local i s'expedeix, i després s'adhereix a la superfície de revestiment en forma de partícules sòlides. La duresa d'aquests dominis és inferior a la de la pel·lícula TiN. Aquests punts suaus són perjudicials per al rendiment de l'eina recoberta i també redueixen l'acabat superficial de l'eina. Es pot observar mitjançant microscòpia electrònica d'escombratge que les partícules de superfície de recobriment de TiN solen estar en el rang de 1 μm a 2 μm, i la quantitat de partícules fins a 5 μm és petita.