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采用圆形挡板对国产AIP-01型多弧离子镀的传统弧源靶进行改造,在高速钢、不锈钢和单晶硅片Si(100)上沉积了TiN薄膜。用扫描电镜对薄膜的表面形貌、截面形貌、膜基界面进行了观察;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显微硬度和弹性模量进行了测量;并对沉积TiN薄膜后的高速钢麻花钻头的使用寿命进行了评估。
多弧离子镀技术沉积的TiN薄膜由TiN和Ti组成,具有柱状晶结构,存在一定的择优取向。无挡板沉积的TiN薄膜择优取向为(111)面和(200)面,加挡板后沉积的TiN薄膜择优取向为(111)面和(220)面。大颗粒呈竹笋状镶嵌在薄膜之中。镶嵌深度较小、结合不牢的颗粒点由于离子的溅射清洗作用会脱落,在薄膜表面形成凹坑。无挡板沉积的TiN薄膜中大颗粒直径大部分在6~10μm之间,最大颗粒点直径达16μm,其中6μm以上的大颗粒密度为2.0×10<,4> mm<-2>;加挡板后,挡板影响中心区域的膜层的颗粒点直径在1~3μm之间,其中直径大于1μm的颗粒点密度为8.6×10<,3>mm<2->。表面轮廓分析表明,加挡板后在单晶硅片上沉积的 TiN薄膜表面粗糙度Ra、Rz、Pt值分别从无挡板时的0.8μm、3.32μm、9.0μm降低到0.01μm、0.5μm、2.0μm以下。
采用一个靶沉积薄膜时,挡板影响中心区域薄膜的沉积速率相对与无挡板时降低了80%,硬度降低了25%;不同位置样品的沉积速率和硬度值相差很大;采用三个靶沉积的薄膜时,不同位置薄膜的沉积速率和硬度值比较均匀,薄膜的沉积速率约1μm/h,比无挡板时仅降低了23%,硬度增加了15%,达到2750HV以上。
无挡板情况下高速钢基体上沉积的TiN薄膜的膜基划痕结合力在52N~62N之间;加挡板后,位于炉腔中部样品的膜基划痕结合力大于68N,最大值达到了93N,而位于炉腔上部和下部样品薄膜的膜基划痕结合力仅40N。
不加挡板在高速钢麻花钻头上镀覆TiN薄膜后,钻头寿命提高2.5倍;加挡板镀覆TiN薄膜后的钻头,寿命提高3.4倍。