マルチアークイオンプレーティングTiN膜の構造と堆積速度に及ぼす負バイアスの影響

- Jun 22, 2018-


研磨された高速度鋼の表面にマルチアークイオンコーティング装置を用いてTiN薄膜を堆積させ、他のパラメータを変更しないで、バイアス電圧が薄膜の堆積速度に及ぼす影響を調べた。 実験結果から、負バイアスの増加に伴い、堆積速度は連続的に増加するが、負バイアスがある値に達すると、バイアス電圧の増加に伴って堆積速度が減少することが示された。

 

高硬度、低摩擦係数、優れた化学的不活性、ユニークな色、良好な生体適合性のために、TiNフィルムは機械、プラスチック、織物、医療産業、マイクロエレクトロニクスおよび他の産業で広く使用されている。 現在、産業研究および応用分野で最も広く使用されている薄膜材料の1つになっています。 TiN膜を製造するには多くの方法があり、その中でマルチアークイオンプレーティングは現在業界で最も広く使用されている技術の1つです。 この技術は60年代に始まり、以来急速に発展してきました。 マルチアークイオン蒸着薄膜は、強いフィルムベース接着、高い密度のフィルム層、めっき可能な材料の広い範囲、良好なコーティング周り、低い堆積温度などの多くの利点を有する。 しかしながら、コーティングプロセス中のフィルムの品質に影響を与える多くの要因が存在する。 国内および海外の研究では、マルチアークイオンプレーティングに影響を及ぼす主要プロセスパラメータは、カソードターゲット電流、反応ガス圧力、基板負バイアス、窒素分圧、および基板堆積温度であることが示されている。

 

本論文では、負のバイアスが堆積速度に及ぼす影響を主に研究する。 基板が負にバイアスされると、プラズマ中のイオンは負のバイアス電場によって基板に加速される。 基板の表面に到達すると、イオンは基板に衝突し、電界から得られたエネルギーを基板に移動させ、基板の温度を上昇させる。 したがって、基板負バイアス電圧は、成膜速度、内部残留応力、膜と基板の結合力、膜/基板のコーティングプロセスにおける摩擦特性に大きな影響を及ぼす。 基板の負のバイアスを変更することによって、堆積されたイオンのエネルギーおよび基板表面の温度を調整して、コーティング品質を制御することができる。 マルチアークイオンプレーティングTiNの構造と特性に負バイアスが及ぼす影響が研究され、報告されている。 しかしながら、負のバイアスが薄膜の堆積速度に与える影響はめったに報告されていない。 この記事では、負の偏りが成膜速度に及ぼす影響を調べる予定です。

 

1.実験方法

 

研磨された高速度鋼が基材として使用される。 試料を無水エタノールで20分間超音波洗浄した後、無水エタノールとアセトン溶液で基材の表面を拭き取り、乾燥させてマルチアークイオンコーティング装置のベースフレーム上に繰り返し置いたところ、ターゲットと基板との間の距離は250mmである。 真空チャンバーを2.6×10 -3 Paのバックグラウンド真空にポンピングしたとき、アルゴンガスを5Pa~10Paに充填し、500Vの負のバイアス電圧を被加工物に印加した。 2分から3分の間維持した後、電圧を900Vに上昇させた。アルゴンガスは低電圧放電下でラベンダープラズマグローを形成し、電場の作用下でアルゴンイオンがワークピースに衝突する。 グロー洗浄後、アルゴンガスを約2Paに減少させ、900Vの負のバイアス電圧を被加工物に印加し、Tiターゲットを点火し、次に基板に高エネルギー金属イオンを衝突させる。 クリーニング後、負のバイアス電圧をそれぞれ0V、-50V、-100V、-150V、-200V、-250Vに調整した。 そして、TiN膜を堆積させた。 コーティングプロセスの間、アーク電圧U = 20V、アーク電流I = 65A、および堆積時間は30分であった。 X線回折を用いてフィルムの相構造を分析した。 走査型電子顕微鏡でコーティングの微細構造を分析した。 フィルムの厚さは、XP-2プロファイラを用いて測定した。 次に、測定された厚さおよび堆積時間に基づいて堆積速度を計算した。

 

2.結果と分析

 

2.1。 異なるバイアスの下での膜の相構造

 

図1は、フィルムのX線回折パターンを示す。 この分析は、フィルムの相組成がTiN相であることを示している。 バイアスを印加しない場合、TiN(200)、(220)結晶面に相当する回折ピークが観測できるが、(111)回折ピークはほぼゼロである。 この線の最も強いピークは、基底Fe(111)からのものであり、これは膜厚が薄く、X線が基板を透過したことを示している。 バイアス電圧が増加すると、(111)結晶配向が現れ始め、(200)優先配向は比較的弱くなる。 バイアス電圧が200Vに達すると、TiN膜は強い(111)趣向を示す。 バイアス電圧が高くなるほどFe(111)ピークが徐々に弱くなり、膜厚が徐々に大きくなることがわかります。


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図1異なるバイアス電圧で得られたTiN膜のXRD回折パターン

 

2.2。 コーティング表面形態


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図2 TiNコーティングの表面形態

 

マルチアークイオンプレーティングコーティングでは、表面に分散した粒子が存在する。 ターゲットは、局所的なアークの高温の下で小さな液滴に溶融され、放出され、次いで、固体粒子の形態でコーティング表面に接着されると一般に信じられている。 これらのドメインの硬度は、TiN膜の硬度よりも低い。 これらのソフトスポットは、被覆された工具の性能に悪影響を及ぼし、工具の表面仕上げを減少させる。 TiN被覆表面の粒子は一般に1μm〜2μmの範囲にあり、5μmまでの粒子の数は少ないことを走査型電子顕微鏡によって観察することができる。