阴极弧离子镀颗粒抑制行为及其膜性能的研究

摘要

用国产AIP-01型多弧离子镀膜机，通过改变脉冲偏压的占空比和在靶前加不锈钢圈和磁铁，在高速钢、硅片以及硬质合金基体上沉积了TiN薄膜。用扫描电镜对薄膜的表面形貌和膜基界面进行了观察，对薄膜厚度进行了测量；用X射线衍射仪对薄膜的相结构和择优取向进行了分析；用微纳米力学综合测试系统对薄膜的膜基结合力、显微硬度和弹性模量进行了测量。 结果显示在不同的占空比下：脉冲幅值相同，占空比越大，薄膜表面大颗粒的尺寸减小，密度降低；随着占空比的增大，薄膜的沉积速率下降。当占空比从20％增大到40％时，沉积速率下降缓慢；当占空比增大到60％和80％时，沉积速率下降很快；在．200V的脉冲偏压值下，随着占空比的增大，(111)晶面衍射峰强度增强，(200)晶面衍射峰强度减弱，(220)衍射峰强度基本不发生变化；在沉积温度为280℃～350℃时，TiN薄膜是柱状晶组织，大颗粒镶嵌在薄膜中；TiN薄膜的硬度随占空比的增大而下降，这是由于粒子入射能量密度的提高导致晶粒尺寸增大，晶体缺陷增多。 在靶前加环状挡板镀膜，结果表明：在靶前加环状挡板镀膜，提高了环状挡板内等离子体密度，对于减小薄膜表面的颗粒点的尺寸有较大作用；加了环状挡板后，在其影响区域内，薄膜的沉积速率有不同程度的上升，其中与弧源靶面法线成35<'0>角的C位置上升最大，达到63.7％；加了环状挡板后，与弧源靶面法线成35<'0>角的C位置和与弧源靶面法线成25<'0>角的E位置薄膜的硬度有所下降，而正对靶面的D点薄膜硬度有所上升；加了环状挡板后，其影响区域内的C、D、E三个位置的膜基结合力都有所上升；加了环状挡板后，TiN薄膜的柱状晶尺寸明显减小，结构致密；加了环状挡板后，薄膜(200)面衍射峰的强度增强，TiN薄膜基本沿这个面择优生长。 靶面自身的磁场大小只对阴极弧斑的运动轨迹有影响，而对薄膜的表面的形貌基本没有影响。 在环状挡板上加了磁铁以后，带电粒子以一定角度进入磁场后，其运动轨迹为一螺旋线。但外加磁场对弧斑的运动轨迹有较大影响，使其经常掉弧。薄膜表面长条状和椭圆状的颗粒点基本消失，呈规则的圆形状随机分布于薄膜表面。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1薄膜的发展概况

1.1.1薄膜简介

1.1.2硬质薄膜材料发展概况

1.1.3硬质薄膜制备技术发展概况

1.2离子镀

1.2.1离子镀技术简介

1.2.2电弧离子镀技术简介

1.2.3电弧离子镀大颗粒问题的研究进展

1.3 TiN硬质薄膜的发展概况

1.3.1 TiN硬质薄膜的优点

1.3.2 TiN多层涂层的研究历史与现状

1.3.3 TiN薄膜的应用

1.4本论文的选题背景及研究内容

1.5本研究的特色和创新

第二章实验设备及性能测试仪器

2.1 AIP-01型多弧离子镀膜机

2.2超声波清洗设备

2.3 CSM纳米力学测试系统

2.4 X-射线衍射(XRD)分析

2.5扫描电镜(SEM)分析

第三章脉冲偏压占空比对单靶电弧离子镀TiN薄膜性能的影响

3.1引言

3.2试样制备与镀膜工艺

3.3样品测试与分析

3.3.1占空比对表面大颗粒分布的影响

3.3.2占空比对薄膜沉积速率的影响

3.3.3薄膜X射线分析

3.3.4薄膜的界面分析

3.3.5薄膜的硬度分析

3.4本章小结

第四章等离子体密度对电弧离子镀大颗粒的影响

4.1引言

4.2试样制备与镀膜工艺

4.3普通镀膜与机械压缩等离子体所镀薄膜的性能比较

4.3.1机械压缩等离子体对薄膜表面大颗粒分布的影响

4.3.2机械压缩等离子体对薄膜沉积速率的影响

4.3.3机械压缩对薄膜硬度的影响

4.3.4机械压缩等离子体对膜基结合力的影响

4.3.5机械压缩等离子体对薄膜界面的影响

4.3.6机械压缩等离子体对薄膜相结构的影响

4.4磁场对薄膜性能的影响

4.4.1自身磁场强度对薄膜表面的影响

4.4.2外加磁场对弧光的影响

4.5本章小节

总结

进一步的研究设想

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

评定意见