氮气引入方式对溅射离子镀TiN镀层微观结构和力学性能的影响文献综述

 2021-10-06 13:58:23

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文 献 综 述

氮气引入方式对溅射离子镀TiN镀层微观结构和力学性能的影响

1. 引言

随着现代科技的高速发展，对高难度加工材料的需求日益增加，由于切削速率的提高，我们对于刀具的标准有了新的要求。由于TiN具有一些独特的性能[1]，如：高硬度、良好的耐磨性、耐蚀性和耐热性，并且有高的热力学稳定性和与金属相似的导电、导热性，所以常用于制作成高速钢、模具钢及硬质合金的涂层，以便应用于刀具、模具和机械零件等领域来增加器件的使用寿命。

材料的性能取决于材料的成分，组织结构和使用环境，然而成分是性能的基础，所以对于薄膜材料而言，只有严格合理的成分才能获得特定的薄膜性能[2]。我们通过对成分的改变如果能研究出更高质量的薄膜，这将有利于薄膜性能的研究和器件应用发展。

与传统的真空蒸镀相比，磁控溅射镀膜具有轰击粒子能量高、基材便于加热、膜层与基体附着力强、容易控制薄膜成分、重复性和均匀性好等特点。磁控溅射方法是目前应用于制备TiN薄膜最广泛的方法之一。目前，不少国内外学者通过研究基底表面粗糙度、偏压、电流、氮氩流量比、沉积时间等工艺参数来分析磁控溅射对TiN薄膜性能的影响。文献也表明出，改变氮气引入方式对溅射离子镀TiN镀层有重要影响。

2. 氮气的引入方式

2.1 OEM的原理

传统的磁控溅射技术中控制方式主要是通过调节溅射过程中的各个工艺参数[3]，如工作压力、Ar气流量、靶材与基片之间的距离、溅射靶功率等，但因为它控制的精度不高，工艺可重复性比较差等缺点，使得工艺化生产比较难于实现。并且不同的设备对应不同的工艺参数，才能获得需要的成分以及组织结构性能。

鉴于传统的磁控溅射方法制备薄膜过程在成分控制方法方面的不足，在反应溅射过程当中引入了基于等离子体光发射谱的光发射监控技术（Optical Emission Monitor，OEM）[3]。其原理为：因为直流磁控溅射过程中的离子是由气体放电产生，在放电时，一些气体分子会被激发或者电离，这些分子在退激发或者消电离的过程中会发光，由此来观察到这些气体的特征光谱线，当然被溅出的离子到了放电空间也会参加放电过程从而被激发或电离，然后产生它们自己的特征光谱，当放电条件如放电电压、气压、气体组分和放电电流达到稳定时，这些特征光谱的强度应该与被溅出的原子数目成正比，因此可以根据各种元素特征光谱强度的变化知道被溅出原子的数量变化。靶元素特定波长的光发射谱强度能定量地代表靶材表面的该元素离子在等离子体中的含量，靶表面被溅射离子的数量又直接会影响到沉积薄膜的成分。而且另一方面，光发射谱的强度高低也包括了因真空腔体气压、溅射偏压、溅射靶输入功率等工艺参数的变化引起的等离子体状态变化的信息。和单一调整的磁控溅射工艺参数相比较，溅射靶表面元素的光发射谱强度（OEM值）更能全面的反映出该元素在等离子体中的真实含量，所以通过采集和比较接近靶表面元素的特定波长的光发射谱强度的信息，然后用专门的计算机软件分析处理，便可以用来监测或者监控磁控溅射沉积薄膜的成分。

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