离子轰击对HIPIMS制备TiN薄膜结构和性能的影响
采用高功率脉冲磁控溅射技术制备TiN薄膜，通过基架自转与固定的调节方式，研究了离子轰击对所制备TiN薄膜结构和性能的影响。采用台阶仪测量薄膜的厚度，采用场发射扫描电镜、扫描探针显微镜、X射线衍射仪测试薄膜的表面形貌特征以及组织结构，采用纳米压痕仪测试薄膜的硬度以及弹性模量，采用划痕仪测试膜基结合力，采用电化学工作站测量薄膜的耐腐蚀性能。实验结果表明，在基架固定时，由于薄膜受到持续的离子轰击作用，所制备的TiN薄膜具有更致密的结构，更光滑的表面，更好的结晶性，更优异的机械性能和更良好的耐腐蚀性能。
TiN薄膜硬度高、抗磨损性能好、化学性质稳定，作为重要的表面改性材料已应用于刀具、具、机械零部件等诸多工业领域。目前TiN薄膜的制备技术主要是传统磁控溅射和电弧离子镀，但是真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为传统磁控溅射的金属离化率低(约1%)，电弧离子镀虽然离化率高，但大颗粒的产生将极大降低沉积薄膜的性能。近年来兴起的高功率脉冲磁控溅射(High PowerIm pulse Magnetron Sputtering，HIPIMS)技术具有离化率高、无颗粒缺陷的优点，为制备高性能TiN薄膜提供了新思路。
在TiN薄膜的制备过程中，离子轰击强度被认为对薄膜的结构性能有很大影响，J.Paulitsch等研究了增加离子轰击对TiN薄膜结构和性能的影响，研究发现，持续的低能离子轰击可以显著提高TiN薄膜的性能，有利于获得结构致密的TiN薄膜。P.H.Mayrhofer等研究了不同离化率条件下持续离子轰击对TiN涂层结构和性能的影响，研究结果表明高离化率下的持续离子轰击可以提高沉积原子在表面的迁移速度，增强溅射离子和原子与气体的反应活性进而获得结构致密性能优异的TiN涂层。
本文采用HIPIMS技术制备TiN薄膜，通过调整基底旋转方式控制基体是否接受离子持续轰击，进而研究离子轰击对薄膜结构、表面形貌以及性能产生的影响。
1、实验
1.1、试样制备
采用HIPIMS沉积TiN薄膜，沉积系统见图1，采用的电源是直流和脉冲电源并联叠加的方式，这种供电模式能够在获得较高靶材离化率的同时保证薄膜沉积速率，靶材为纯度为99.99%的金属钛靶(400mm×100mm)，分别选用硅片、玻璃和高速钢(W2Mo9Cr4VCo8)作为基底材料。镀膜前将基底放入酒精和丙酮中分别超声清洗15min，烘干后固定于基架置于溅射靶前，基架可实现公转和自转，靶基距为16cm，抽真空至腔体真空度小于3×10-3 Pa开始实验。首先通入一定量的Ar气，腔体压力控制在1.3Pa，向基底施加脉冲负偏压-350V，通过Ar离子辉光放电对基底刻蚀30min；然后开启HIPIMS电源沉积Ti过渡层5min(210nm±20nm)，Ar气流量50mL/min(标准状态)，工作气压0.27Pa，脉冲电压600V，脉宽200μs，频率100Hz，复合直流3.0A，基底脉冲负偏压-300V；最后沉积TiN，Ar气流量50mL/min，N2气流量10mL/min，腔体压力为0.3Pa，分别采用固定基架以及基架自转两种方式沉积TiN薄膜，电源参数与Ti过渡层参数同，通过控制沉积时间使两种工艺下的薄膜总厚度在1000±50nm，以避免厚度对实结果的影响；整个沉积过程，基底脉冲电源的频率为350kHz，占空比为61.4%。
图1 沉积系统示意图
1.2、性能测试
薄膜厚度测试采用美国辛耘科技工程有限公司Alpha StepIQ台阶仪；薄膜表面和截面的微观形貌通过日立公司S-4800场发射扫描电镜(FESEM)进行观察；薄膜表面的三形貌以及粗糙度采用美国Veeco公司Dimension3100V扫描探针显微镜(SPM)进行观察和测量；薄膜的相组成采用德国布鲁克公司D8AdvanceX射线衍射(XRD)仪测试；薄膜的纳米硬度以及弹性模量采用美国MTS公司NANOG200纳米压痕仪测试，采用动态实时加载卸载模式，压入深度为500nm，为了减小基底对测量结果的影响，取压入深度为薄膜1/10处的4个测点的平均值；薄膜的膜基结合力采用瑞士CSMRevetest划痕仪测试，测试过程中最大加载80N，划痕长度3mm；薄膜的极化曲线在AUTOLABPGSTAT302型电化学工作站测试，采用三电极系统，其中待测试样为工作电极，Pt丝为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，电解质溶液为3.5%NaCl(质量分数)溶液，测试面积约为0.25cm2。
3、结论
采用HIPIMS技术制备TiN薄膜，通过改变镀膜过程中基架旋转方式研究了离子轰击对TiN薄膜结构和性能的影响。研究结果表明，在HIPIMS技术中离子持续轰击可以使薄膜的致密性增加，结晶性增强，表面缺陷减少，粗糙度明显降低，从而引起TiN薄膜的硬度由17.43±0.53GPa升高到24.82±1.17GPa，弹性模量由263.78±13.73GPa增加到300.13±15.44GPa，结合力由53N提高到69N，同时耐腐蚀性能也有一定程度的改善。以上结果说明，在HIPIMS制备TiN薄膜过程中，离子轰击对TiN薄膜的结构和性能影响很大，在离子持续轰击作用下能够获得性能优异的TiN薄膜。
