離子轟擊對HIPIMS制備TiN薄膜結構和性能的影響
采用高功率脈沖磁控濺射技術制備TiN薄膜，通過基架自轉與固定的調節方式，研究了離子轟擊對所制備TiN薄膜結構和性能的影響。采用臺階儀測量薄膜的厚度，采用場發射掃描電鏡、掃描探針顯微鏡、X射線衍射儀測試薄膜的表面形貌特征以及組織結構，采用納米壓痕儀測試薄膜的硬度以及彈性模量，采用劃痕儀測試膜基結合力，采用電化學工作站測量薄膜的耐腐蝕性能。實驗結果表明，在基架固定時，由于薄膜受到持續的離子轟擊作用，所制備的TiN薄膜具有更致密的結構，更光滑的表面，更好的結晶性，更優異的機械性能和更良好的耐腐蝕性能。
TiN薄膜硬度高、抗磨損性能好、化學性質穩定，作為重要的表面改性材料已應用于刀具、具、機械零部件等諸多工業領域。目前TiN薄膜的制備技術主要是傳統磁控濺射和電弧離子鍍，但是真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為傳統磁控濺射的金屬離化率低(約1%)，電弧離子鍍雖然離化率高，但大顆粒的產生將極大降低沉積薄膜的性能。近年來興起的高功率脈沖磁控濺射(High PowerIm pulse Magnetron Sputtering，HIPIMS)技術具有離化率高、無顆粒缺陷的優點，為制備高性能TiN薄膜提供了新思路。
在TiN薄膜的制備過程中，離子轟擊強度被認為對薄膜的結構性能有很大影響，J.Paulitsch等研究了增加離子轟擊對TiN薄膜結構和性能的影響，研究發現，持續的低能離子轟擊可以顯著提高TiN薄膜的性能，有利于獲得結構致密的TiN薄膜。P.H.Mayrhofer等研究了不同離化率條件下持續離子轟擊對TiN涂層結構和性能的影響，研究結果表明高離化率下的持續離子轟擊可以提高沉積原子在表面的遷移速度，增強濺射離子和原子與氣體的反應活性進而獲得結構致密性能優異的TiN涂層。
本文采用HIPIMS技術制備TiN薄膜，通過調整基底旋轉方式控制基體是否接受離子持續轟擊，進而研究離子轟擊對薄膜結構、表面形貌以及性能產生的影響。
1、實驗
1.1、試樣制備
采用HIPIMS沉積TiN薄膜，沉積系統見圖1，采用的電源是直流和脈沖電源并聯疊加的方式，這種供電模式能夠在獲得較高靶材離化率的同時保證薄膜沉積速率，靶材為純度為99.99%的金屬鈦靶(400mm×100mm)，分別選用硅片、玻璃和高速鋼(W2Mo9Cr4VCo8)作為基底材料。鍍膜前將基底放入酒精和丙酮中分別超聲清洗15min，烘干后固定于基架置于濺射靶前，基架可實現公轉和自轉，靶基距為16cm，抽真空至腔體真空度小于3×10-3 Pa開始實驗。首先通入一定量的Ar氣，腔體壓力控制在1.3Pa，向基底施加脈沖負偏壓-350V，通過Ar離子輝光放電對基底刻蝕30min；然后開啟HIPIMS電源沉積Ti過渡層5min(210nm±20nm)，Ar氣流量50mL/min(標準狀態)，工作氣壓0.27Pa，脈沖電壓600V，脈寬200μs，頻率100Hz，復合直流3.0A，基底脈沖負偏壓-300V；最后沉積TiN，Ar氣流量50mL/min，N2氣流量10mL/min，腔體壓力為0.3Pa，分別采用固定基架以及基架自轉兩種方式沉積TiN薄膜，電源參數與Ti過渡層參數同，通過控制沉積時間使兩種工藝下的薄膜總厚度在1000±50nm，以避免厚度對實結果的影響；整個沉積過程，基底脈沖電源的頻率為350kHz，占空比為61.4%。
圖1 沉積系統示意圖
1.2、性能測試
薄膜厚度測試采用美國辛耘科技工程有限公司Alpha StepIQ臺階儀；薄膜表面和截面的微觀形貌通過日立公司S-4800場發射掃描電鏡(FESEM)進行觀察；薄膜表面的三形貌以及粗糙度采用美國Veeco公司Dimension3100V掃描探針顯微鏡(SPM)進行觀察和測量；薄膜的相組成采用德國布魯克公司D8AdvanceX射線衍射(XRD)儀測試；薄膜的納米硬度以及彈性模量采用美國MTS公司NANOG200納米壓痕儀測試，采用動態實時加載卸載模式，壓入深度為500nm，為了減小基底對測量結果的影響，取壓入深度為薄膜1/10處的4個測點的平均值；薄膜的膜基結合力采用瑞士CSMRevetest劃痕儀測試，測試過程中最大加載80N，劃痕長度3mm；薄膜的極化曲線在AUTOLABPGSTAT302型電化學工作站測試，采用三電極系統，其中待測試樣為工作電極，Pt絲為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，電解質溶液為3.5%NaCl(質量分數)溶液，測試面積約為0.25cm2。
3、結論
采用HIPIMS技術制備TiN薄膜，通過改變鍍膜過程中基架旋轉方式研究了離子轟擊對TiN薄膜結構和性能的影響。研究結果表明，在HIPIMS技術中離子持續轟擊可以使薄膜的致密性增加，結晶性增強，表面缺陷減少，粗糙度明顯降低，從而引起TiN薄膜的硬度由17.43±0.53GPa升高到24.82±1.17GPa，彈性模量由263.78±13.73GPa增加到300.13±15.44GPa，結合力由53N提高到69N，同時耐腐蝕性能也有一定程度的改善。以上結果說明，在HIPIMS制備TiN薄膜過程中，離子轟擊對TiN薄膜的結構和性能影響很大，在離子持續轟擊作用下能夠獲得性能優異的TiN薄膜。
