真空アークイオンプレーティングに基づくTiCNコーティング

- Jan 09, 2018-

TiCNコーティングの調製方法


1985年以来、Knotkeは最初にTiCNコーティング技術に関する研究を発表して以来、人々はその優れた高温耐酸化性と優れたアプリケーション性能に大きな関心を示しており、これまで様々な物理蒸着技術が開発されていました。 現在、マグネトロンスパッタイオンプレーティング法、ラジオ周波数スパッタリング法、マルチアークイオンプレーティング法の3種類のTiCN皮膜の作製方法があり、マグネトロンスパッタイオンプレーティング法やマルチアークイオンプレーティング法が最も広く用いられている使用され、低コスト。


マグネトロンスパッタイオンプレーティング。


マグネトロンスパッタリング技術は、1970年代初頭に開発され、技術と研究の深化に伴い、電気、光学フィルム、エネルギー、機械工業などの産業化分野で広く使用され、TiCNの最も広く使用されているフィルム法。 コーティング工程では、Arガスグロー放電により発生したArイオンを用いてTiターゲットをボンベし、静電加速により被加工物に堆積して堆積膜を飛ばすことにより、Tiイオンが生成される。 この方法は、堆積速度が速く均一な膜厚を有し、イオンプレーティングは、コーティングと基板界面の結合能力を向上させ、膜組織を緻密にすることができる。 同時に、汚染に敏感なターゲット、およびコーティングプロセスにおける低い堆積速度がその主な弱点である。 炭素および窒素分圧が増加すると、堆積速度が遅くなることが分かった。


マルチアークイオンプレーティング


マルチアークイオンプレーティングは、改良されたイオンプレーティング法に属し、1980年代初めにソビエトによって最初に開発されました。 基本的な原理は、金属ターゲット源を陰極とし、陽極シェル間のアーク放電とターゲットの蒸発とイオン化とを行い、空間プラズマを形成し、次いで被加工物に被膜を堆積させることである。 他の膜技術と比較して、カソードはプラズマを直接生成し、カソードターゲットは任意に配置することができ、サンプルフィクスチャを大幅に簡素化します。 加えて、マルチアーク入射粒子エネルギーが高く、イオン化率が60%〜80%に達することができ、膜の密度が高く、強度と耐久性が良好であり、膜とマトリックスの界面が原子拡散膜密着性が良好である。


真空アークイオンプレーティング技術は、フィルタにプラズマ電磁場を使用して、大きな粒子を効果的に低減または排除することができる。 従来のアークイオンプレーティングコーティングと比較して、アーク型フィルタアークコーティングマクロ粒子は不純物がなく、均一で緻密な構造であり、光学素子、マイクロエレクトロニクスフィルムの要求を満たすことができます。 また、ビーム径が小さく、通常は200nm以下であり、マルチアークソースアレイを形成することが困難であり、大面積の大量生産が達成できず、透過率が低下するという欠点もある効率は高くはない、曲げ構造の最大伝達効率は約30%であり、イオン電流はアーク電流のちょうど2%〜3%である。


コーティング構造へのガス流の影響


N 2分圧(流れ)の変化は、スパッタリング窒素イオン密度およびエネルギー変化を引き起こし、金属原子との結合に影響を与え、好ましい成長配向を変化させ、したがってコーティング性能に影響を及ぼす。 Reserachersは、全圧0.8PaおよびAr流量20sccmの条件下で、窒素流量が6sccm未満であるとき、好ましい配向は(111)であり、窒素流量が6sccmより大きく、(111)ピーク強度が減少し、 )は、主にfcc-TiCNの構造において(111)面の表面エネルギーが低いため、低窒素流下では(111)面に移動し、窒素流量の増加に伴って原子移動速度が低下し、高表面エネルギーを有する(200)結晶表面は高いステップ密度を有し、低エネルギーグリッド点からの拡散距離は短く、(200)結晶表面に沿った結晶優先成長に有益である。 研究者らは、窒素流量が1sccmのとき、得られる試料は非晶質構造であり、窒素流量が2sccmを超えると膜内に柱状構造が存在し、粒界が存在し、窒素流量が6sccmに増加すると膜が緻密になり、主に窒素の流れの増加、原子移動速度の減少、膜表面の局所的な化学ポテンシャルの変化などにより、等方性および結晶粒微細構造の微細構造を好む。 研究者は、窒素の流れが増加すると、フィルムに集まった穀物が少なくなり、表面が緻密で滑らかになり、粗さが一定になるまで徐々に減少することが分かった。


TiNとTiCはNaCl型の面心立方構造であり、N原子とC原子の半径は非常に近いため、研究者がTiCNを調製した炭素源は主にC 2 H 2またはCH 4ガスである。 Nは0.071nmであり、Cは0.077nmであり、これら2つは互いに交換して単相材料TiC(N)またはTiN(C)を形成することができる。 ある条件下では、二相構造が現れることがある。 XRD回折スペクトルでは、それらのピークは非常に近く、一部はオーバーラップして位相解析の複雑さを招くため、一般にTiCxN1-xと表記されています。


TiCNコーティング性能の影響要因


温度

TiCNコーティングの品質は、主に組成、温度、雰囲気などのプロセス要因の影響を受けます。 異なるマトリックス温度は、コーティングの粒度、形状、構造が完全に異なる原因となります。 堆積温度が高過ぎて堆積速度が速すぎると、被覆された結晶が厚く分岐し、被覆の品質に影響を及ぼす。 堆積温度が低すぎると、多孔質のゆるい堆積物を形成しやすくなり、コーティングおよびマトリックスの結合強度に影響を及ぼす。 従って、高品質のコーティングを得るためには、妥当な温度の選択が必要条件である。 Mc.Cormellなどは、温度が250℃を下回ると硬度、結合強度、摩擦係数が変化しないなど、PVD法によるステンレス鋼にTiCNコーティングを施工しました。 試料への450℃の熱処理後、TiCNコーティング摩擦係数は250℃前に0.2、250℃では0.3まで低下するが、TiNの摩擦係数よりも低い。これはTiCNコーティングCが潤滑剤の役割を果たすからである。 研究によると、温度が200℃未満になると、TiCNコーティングの摩擦係数および摩耗率は温度の上昇とともに増加することが示されている。


パルスバイアス

パルスバイアスの存在は、液滴を減少させ、コーティング品質を改善するために非常に重要な役割を果たす。 正の電荷を帯びたスパッタ仕事を誘引する負のバイアスは、陰極ターゲット近くのチタンイオンを飛行時間を加速し、プラズマおよび液滴中の窒素との衝突の機会を増加させ、同時にチタンおよび窒素の結合強度を高めることができる。 真空圧力を一定に保つと、負のバイアスが増加すると窒素の流れが増加するが、負のバイアスが増加すると膜の窒素の量は減少する。 これは主にTi-Ti結合能がTi-Nよりも強く、負バイアスの増加に伴い、窒素よりもチタンの再スパッタ能力が強い。 さらに、バイアスが増加すると、プラズマ粒子によってエネルギー粒子がマトリックスの変化に飛び散り、膜の組織構造に影響を及ぼします。


アーク電流

工業生産用途の観点から考えると、アーク電流を増加させると、生産性と膜硬度と耐摩耗性が向上する可能性があります。 増加するアーク電流は、目標全体の温度が上昇し、対応する液滴が増加し、液滴のサイズも増加することを意味する。


液滴および液滴サイズの増加は必然的にフィルムの耐腐食性、特に高さ方向にフィルムに埋設された約1/3の底部の不規則な小孔を有する大口径液滴の減少につながる。 酸やアルカリなどの腐食性物質に遭遇すると、これらの孔は最初に壊れて針状の孔を形成するため、その存在がコーティングの耐食性を低下させる主な理由です。 したがって、実際の応用では、増加するアーク電流と液滴との間の矛盾を調整するために、ターゲットの蒸発面積を増加させる、ターゲットの冷却効果を強化する、または新しいアーク源を設計するなどのいくつかの最適化された方法を使用することができる。液滴の生成を抑制する。


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