CN103173731A - 一种改善TiN/TiCN多层复合薄膜材料性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善TiN/TiCN多层复合薄膜材料性能的方法。该方法是利用氮等离子体轰击TiN/TiCN多层复合薄膜，经过处理的TiN/TiCN多层复合薄膜机械性能无明显变化，但整体薄膜的应力得到改善，且内部的TiN层的摩擦系数和磨损率均显著降低。

Description

一种改善TiN/TiCN多层复合薄膜材料性能的方法

技术领域

本发明涉及一种利用氮等离子体改善TiN/TiCN多层复合薄膜材料摩擦学性能的方法。

背景技术

TiN和TiCN薄膜材料由于均具有高的硬度、优良的抗磨损和腐蚀性、极好的化学稳定性和良好的导电性与导热性等优异的特性，因此在机械、摩擦学、防腐蚀、航空航天等领域具有广泛的应用前景。TiN/TiCN多层复合膜材料除综合了二者的优点之外，通过层间厚度控制和位错作用，使得TiN/TiCN多层复合薄膜材料内应力方面得到极大改善，且其厚度和结合力均有显著提高。

目前，物理气相沉积技术是制备TiN/TiCN多层复合薄膜材料的主要方法之一，在工业中广泛使用。但是，通过这些沉积技术直接得到的TiN/TiCN多层复合薄膜材料有一个明显的缺陷，即TiN层在干摩擦时产生较高的摩擦系数和较大的噪音。这不仅会降低TiN/TiCN多层复合薄膜的使用寿命，而且会限制其在更多领域内的使用，如刀具、齿轮、轴承等。

发明内容

本发明的主要目的是利用氮等离子体改善TiN/TiCN多层复合薄膜材料的摩擦学性能。

一种采用氮等离子体改善TiN/TiCN多层复合薄膜材料摩擦学性能的方法，该方法处理得到的薄膜其硬度不变，应力降低，TiN层的摩擦系数出现显著下降以及总体抗磨损性能提高。

本发明采用的薄膜，是按照专利超厚TiN-TiCN多层复合薄膜材料的制备方法(201110425176.8)制备的TiN/TiCN多层复合薄膜材料。具体步骤为：

A在沉积过程中，采用直流磁控溅射***设备；

B将单晶硅片或钢片作为基材固定在衬底板上，然后把衬底板装载到沉积腔室中，进行抽真空；当沉积室的真空度达到8.0×10^-4-6.0×10^-4Pa时，通氩气于沉积室中，在占空比为60-80％、脉冲直流负偏压为800-1100V的条件下用氩(Ar)等离子体进行溅射清洗基材10-20min；

C在氩气流量为20-40sccm，靶材与基片的距离为10-15cm，初始腔室温度在30-40℃，直流电流为2-4sccm，占空比和负偏压分别为60-80％和0-100V的条件下，通过渐变地调节氮气和甲烷流量，溅射纯钛靶，制得TiN-TiCN多层复合薄膜，沉积时间为100-260min；

D沉积结束后，腔室温度为125-135℃，等待腔室温度冷却到室温时，取出单晶硅片或钢片。

本发明的原理：氮气在强的负偏压作用下，定向产生高能量的氮等离子体。不稳定的玻璃态结构在等离子体的能量轰击下易于转化为稳定的晶态和非晶态结构。由于TiCN层与TiN层存在着应力差和无定形碳的浓度差，导致细小的无定形碳相在轰击能的传递过程中从TiCN层向TiN层转移。扩散的无定形碳在TiN层中起到减摩抗磨作用。

一种改善TiN/TiCN多层复合薄膜材料性能的方法，其特征在于氮气气氛中，应用安装于直流磁控溅射设备中的偏压电源产生等离子体，对TiN-TiCN多层复合薄膜进行轰击，达到改善性能的目的，具体操作步骤为：

A在沉积过程中，用直流磁控溅射***设备由中科院沈阳科学仪器有限公司生产，其型号为JS-650；设备主要由沉积腔室、载靶板、衬底板、直流电源、偏压电源以及泵抽***组成，其中载靶板与衬底板是正面相对的，直流电源连接在载靶板上，而偏压电源连接在衬底板；

B在氮气流量为90-130sccm，靶材与基片的距离为10-15cm，占空比和负偏压分别为60-80％和1000-1200V的条件下产生高能量的氮等离子体轰击TiN/TiCN多层复合薄膜，氮化处理时间为10-40min；

C处理结束后，腔室温度随氮化处理时间的增加而降低，其范围在80-50℃。待腔室温度冷却到室温时，取出TiN-TiCN多层复合薄膜。

经过处理过的TiN/TiCN多层复合薄膜材料与未处理的TiN/TiCN多层复合薄膜材料的性能比较：

处理后的薄膜具有更小的压应力；处理后的薄膜的硬度几乎无变化；未处理的薄膜以氮化硅球为对偶，在大气环境中，载荷为1N，转速为600rpm以及单程滑行距离为5mm的摩擦条件下，运行到230min(即接触到TiN层)时，摩擦系数从原先的0.15上升到0.7左右，并发出较大的噪声。而处理后的薄膜在相同条件下，滑行600min(早已接触到TiN层)，摩擦系数一直维持在0.15左右，且没有噪声。

本发明具有上述性能的原因在于：通过负偏压产生高能量的氮等离子体轰击薄膜，导致TiCN层从不稳定的玻璃态结构转化为稳定的无定形和柱状晶结构。同时，由于能量差、浓度差和应力差的存在将诱导细小的无定形碳向TiN层扩散，而无定形碳存在于TiN层将有利于降低TiN层的摩擦系数和延长整个薄膜的耐磨寿命。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，通过实例进行说明。

实施例1：

沉积：将氩气、氮气和甲烷混合气体通入反应室中，在截留挡板阀(控制腔室压强)调为1-5°，靶材与基片的距离为10cm，占空比为80％的负偏压100V，初始的腔室温度保持在40℃的条件下开启直流电源(电流为4A)，溅射纯钛靶材，通过渐变调节氮气和甲烷流量，总沉积时间为100min，得到双分子层数为10的TiN/TiCN多层复合薄膜。氮化处理：停止氩气、甲烷的通入，关闭直流电源，截留挡板阀、靶材与基片的距离以及占空比均保持不变，把氮气的流量调节为100sccm的情况下，将负偏压增加至1100V致使氮气变为高能量的等离子体轰击在薄膜表面，处理时间为40min。

利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)对薄膜断面观察发现，薄膜厚度为9.9μm，TiCN层为无定形碳包柱状晶结构，而TiN层为柱状晶结构夹少量无定形碳，且整个薄膜结构致密，与基材结合良好。通过高分辨透射电镜证实这些相的存在。应用基片弯曲的方法(即Stoney方程)计算得到薄膜的压应力约为0.52GPa。根据纳米压入实验表明，此薄膜的硬度和弹性模量分别为21.06-37.48GPa和317.7-345.2GPa。用UMT摩擦磨损试验机，载荷为1N，运行600min，其平均摩擦系数为0.15，磨损率为4.8×10^-7mm³/N·m，磨损深度为2.6μm，已经将第一个TiN层磨穿，但是在这个过程中摩擦系数并无明显激增，一直维持在0.15左右。

实施例2：

如实施例1所述，将处理时间更改为20min，得到处理后的TiN/TiCN多层复合薄膜。

利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)对薄膜断面观察发现，薄膜厚度为9.9μm，TiCN层为无定形碳包柱状晶结构，TiN层为柱状晶结构，且整个薄膜结构致密，与基材结合良好。通过高分辨透射电镜证实这些相的存在。应用基片弯曲的方法(即Stoney方程)计算得到薄膜的压应力约为0.79GPa。根据纳米压入实验表明，此薄膜的硬度和弹性模量分别为23.46-27.84GPa和314.7-334.2GPa。用UMT摩擦磨损试验机考察其摩擦磨损性能，实验条件如下：载荷为1N，运行230min，摩擦系数从原先的0.15左右跳至0.65左右，并发出较大的噪声。

实施例3：

如实施例1所述，直接对未处理的TiN/TiCN多层复合薄膜进行考察。

利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)对薄膜断面观察发现，薄膜厚度为9.9μm，TiCN层为不稳定的玻璃态结构，而TiN层为柱状晶结构，且整个薄膜结构致密，与基材结合良好。通过高分辨透射电镜证实这些结构的存在。同样，计算得薄膜的压应力约为1.47GPa。根据纳米压入实验表明，此薄膜的硬度和弹性模量分别为23.82-30.07GPa和328.3-389.2GPa。在相同条件下考察其摩擦磨损性能，其摩擦系数从原先的0.15左右跳至0.7左右，并发出较大的噪声。

Claims (1)

1.一种改善TiN/TiCN多层复合薄膜材料性能的方法，其特征在于氮气气氛中，应用安装于直流磁控溅射设备中的偏压电源产生等离子体，对TiN-TiCN多层复合薄膜进行轰击，达到改善性能的目的，具体操作步骤为：

A在沉积过程中，用直流磁控溅射***设备由中科院沈阳科学仪器有限公司生产，其型号为JS-650；设备主要由沉积腔室、载靶板、衬底板、直流电源、偏压电源以及泵抽***组成，其中载靶板与衬底板是正面相对的，直流电源连接在载靶板上，而偏压电源连接在衬底板；

B在氮气流量为90-130sccm，靶材与基片的距离为10-15cm，占空比和负偏压分别为60-80％和1000-1200V的条件下产生高能量的氮等离子体轰击TiN/TiCN多层复合薄膜，氮化处理时间为10-40min；

C处理结束后，腔室温度随氮化处理时间的增加而降低，其范围在80-50℃。待腔室温度冷却到室温时，取出TiN-TiCN多层复合薄膜。