Učinak negativne raspodjele na strukturu i učestalost taloženja višeslojnih ionizacijskih filmova

Pri korištenju višeslojne opreme za ionsko premazivanje da bi se nanio tanki sloj TiN na površini poliranog čelika velike brzine, uz ostale parametre nepromijenjenim, istraživan je utjecaj napona prednapona na stupanj taloženja tankog filma. Pokusni rezultati pokazali su da uz povećanje negativne pristranosti, stopa taloženja raste kontinuirano, ali nakon što negativna pristranost dosegne određenu vrijednost, stopa taloženja se smanjuje s povećanjem napona prednapona.

Zbog svoje velike tvrdoće, koeficijenta niske trenja, dobre kemijske inertnosti, jedinstvene boje i dobre biokompatibilnosti, TiN filmovi se naširoko koriste u mehaničkim, plastičnim, tekstilnim, medicinskoj, mikroelektronici i drugim industrijama. Sada je postao jedan od najraširenijih materijala tankih filmova u industrijskom istraživanju i primjeni. Postoje mnoge metode za pripremu TiN filmova, među kojima je višeslojna ionska obrada jedna od najčešće korištenih tehnologija u industriji danas. Ova tehnologija potječe iz 60-ih godina i brzo se razvija od tada. Višeslojni ionski taloženi tanki film ima mnoge prednosti kao što su snažno prianjanje lima, visoka gustoća sloja filma, širok raspon materijala koji se mogu nanositi, dobro premazivanje i niska temperatura taloženja. Međutim, postoji mnogo čimbenika koji utječu na kvalitetu filma tijekom procesa premazivanja. Domaća i međunarodna istraživanja pokazala su da su glavni procesni parametri koji utječu na multi-arc ionsko plating su katodni ciljni tlak, tlak reakcijskog plina, negativna supstratna supstrat, parcijalni tlak dušika i temperatura taloženja supstrata.

U radu se uglavnom istražujemo utjecaj negativne pristranosti na stopu taloženja. Kada je supstrat negativno pristran, ioni u plazmi će se ubrzati negativnim električnim poljem pristranosti na supstrat. Pri dolasku na površinu supstrata, ioni bombardiraju supstrat i prenose energiju dobivenu iz električnog polja na supstrat, što uzrokuje da se temperatura podloge podigne. Stoga, supstratni negativni napon prednapona ima veliki utjecaj na stopu taloženja, unutarnji preostali stres, vezujuću snagu filma i supstrat, svojstva trenja membrane / baze u postupku oblaganja. Mijenjanje negativne pristranosti supstrata može podesiti energiju deponiranih iona i temperaturu površine supstrata kako bi se kontrolirala kvaliteta premaza. Utjecaj negativne pristranosti na strukturu i svojstva višeslojne ionske obloge TiN je proučavan i prijavljen. Međutim, učinak negativne pristranosti na stopu taloženja tankih filmova rijetko se bilježi. Ovaj članak namjerava proučiti utjecaj negativne pristranosti na stopu taloženja filma.

1. Eksperimentalna metoda

Kao osnovni materijal koristi se polirani čelik visokih brzina. Uzorak je ultrazvučno opran s apsolutnim etanolom kroz 20 minuta, a zatim je površina supstrata bila obrisana apsolutnom otopinom etanola i acetona, zatim je osušena i opetovano je stavljena na osnovni okvir višeslojnog sustava za premazivanje iona, udaljenost između cilja i podloge iznosi 250 mm. Kada je vakuum komora pumpana u pozadinski vakuum od 2,6 x 10 -3 Pa, argonov plin je napunjen na 5 Pa ~ 10 Pa, a negativni napon prednapona od 500 V je bio stavljen na obradak. Nakon održavanja od 2 minute do 3 minute, napon je podignut na 900 V. Plinovi argona tvore sjaj plamene lavande pri niskom naponu, a pod djelovanjem električnog polja argoni ioni bombardiraju radni komad. Nakon pranja sjaja, plin argona se smanjuje na oko 2 Pa, na naplatak se nanosi negativni napon prednapona od 900 V, a cilj Ti se zapali, zatim se supstrat bombardira visokim energetskim metalnim ionima. Nakon čišćenja, negativni naponi prednapona su podešeni na 0 V, -50 V, -100 V, -150 V, -200 V i -250 V. TiN filmovi su pohranjeni. Tijekom procesa premazivanja, strujni napon U = 20 V, struja luka I = 65 A, a vrijeme taloženja je 30 min. Rendgenska difrakcija je korištena za analizu fazne strukture filma. Mikrostruktura premaza analizirana je skeniranjem elektronske mikroskopije. Debljina filma mjerena je pomoću XP-2 profilera. Stopa taloženja je zatim izračunata na temelju izmjerene debljine i vremena taloženja.

2. Rezultati i analiza

2.1. Faza struktura filma pod različitim pristranostima

Slika 1 prikazuje uzorak difrakcije rendgenskih zraka filma. Analiza pokazuje da je faza sastav filma TiN faza. Kada se ne primjenjuje pristranost, mogu se promatrati maksimumi difrakcije koji odgovaraju TiN (200) i (220) kristalnim ravninama, ali je vrh difrakcije (111) gotovo nula. Najjači vrh u ovoj liniji je iz baze Fe (111), što ukazuje na to da je debljina sloja mala i X-zrake prodiru u podlogu. S povećanjem napona prednapona počinje se pojaviti (111) kristalno orijentacija, a preferirana orijentacija (200) je relativno slaba. Kada napon prednapona dosegne 200 V, TiN film pokazuje jaku (111) prednost. Napominjemo da se vrh Fe (111) postupno slabi s povećanjem napona prednapona, što ukazuje na to da debljina sloja postaje sve veća.

Slika 1 XRD difrakcijski uzorak TiN filmova dobivenih pod različitim naponima pristranosti

2.2. Premazivanje površinske morfologije

Slika 2 Površinska morfologija TiN premaza

U višeslojnom premazu iona, na površini se nalaze dispergirane čestice. Općenito se vjeruje da se cilj otopi u sitne kapljice pod visokim temperaturama lokalnog lukova i izbacuje, a zatim se prianja na površinu za prevlačenje u obliku krutih čestica. Tvrdoća tih domena je niža od one TiN filma. Ove meke mrlje štetne su za izvedbu prevučenog alata i također smanjuju površinsku obradu alata. Mogu se promatrati skeniranjem elektronske mikroskopije da su čestice površine premaza TiN obično u rasponu od 1 um do 2 um, a broj čestica do 5 um je mali.