多弧离子镀与磁控溅射联用镀制TiN/SiO2复合装饰薄膜的研究

2015-04-04 朱元义佛山市双石钢业有限公司

　　本文结合多弧离子镀和磁控溅射两种镀膜方法的优点，制备了TiN/SiO2 复合薄膜。通过扫描电镜可以观察到，制备的复合膜比单纯的氮化钛薄膜更加致密和光滑，基本消除了大颗粒的影响。另外，可以通过控制溅射SiO2 的时间实现对膜层色度的控制。在本文的试验条件下，当氧化硅溅射时间为30 min时，得到的膜层为咖啡色，当氧化硅溅射时间为1 h，膜层为玫瑰红色。采用两种镀膜手段联用的方法，可以得到高品质，颜色丰富的膜系。

　　氮化钛膜是一种黄色系的装饰涂层，且具有良好的耐磨性，因此在装饰领域应用非常广泛。采用多弧离子镀法在金属表面制备氮化钛装饰层具有成膜速度快，膜层和基底结合力好的优点，被国内许多装饰镀膜相关的厂家所采用。但是这种镀膜方式也存在着一些不足：

　　①色度难控制：这是因为在离子镀膜过程中首先将镀膜材料蒸发成蒸气，是一个快速不易精确控制的过程，导致膜层的厚度不容易控制，为了得到特定厚度和色系的薄膜，镀膜时间需要精确到秒，因此，对操作人员提出很高的要求，需要操作人员具有丰富的经验；

　　②“大颗粒”污染问题：多弧离子镀膜过程中，由于电弧阴极斑在靶材表面滚动燃烧时不断产生中性团簇，这些团簇与等离子体一道喷发出来，沉积到膜层表面，形成大颗粒，造成表面的污染，进而影响膜层的性能。

　　用磁控溅射设备制作膜材料是在20世纪40年代发展起来的，并随着晶体管和CD 等的发展而得到普及和广泛应用，逐步成为产品制造的一种常用手段。磁控溅射镀膜，膜厚容易控制且膜层致密：控制真空室中的气压、溅射功率，基本上可获得稳定的沉积速率，通过精确地控制溅射镀膜时间，容易获得均匀的高精度的膜厚和致密的膜层。

　　因此，在本文，结合两种镀膜技术的优点，研制了氮化钛/ 氧化硅装饰膜。先通过离子镀得到一定厚度的氮化钛膜层，然后通过磁控溅射的方法在氮化钛膜层上溅射一层SiO2。溅射的SiO2 可以对氮化钛膜层进行修饰并对大颗粒进行覆盖。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为，得到的TiN/SiO2 复合膜非常致密，且颜色可以通过溅射氧化硅的时间来调控，丰富了膜系的颜色，提高了装饰效果。

1、试验

　　1.1、样品制备

　　试验中采用的基底为不锈钢基底，尺寸为1 m×1 m。所有试样表面经抛光呈镜面状，然后分别在清洗液、丙酮、酒精中超声波清洗各30 min，压缩空气吹干。TiN 膜通过多弧离子镀进行沉积，样品在镀膜室内Ar 离子溅射清洗5 min 后开始沉积TiN，靶材为Ti 靶，纯度为99.99%，靶室真空度3.2×10^-1 Pa。镀膜工艺参数为N2 流量3.2×10^-5 m³ min^-1，Ar 流量为1.9 ×10^-5 m³ min^-1，溅射电压为500 V，溅射电流为30 A，溅射时间为10 min。TiN 沉积完成后，在TiN 上进一步溅射SiO2膜。溅射用的靶材为SiO2，纯度为99.99%。实验中用Ar 气作溅射气体，并通入适量的氧气，待电流和电压充分稳定后再进行溅射。溅射时工作气压为0.7 Pa，自偏压为620 V，溅射电压为450 V，电流为0.16 A，溅射功率为80 W，镀膜时间分别为30 min。

　　1.2、样品测试设备

　　X- 射线衍射仪的型号为X’Pert Pro MPD，测试条件是0.02° 2θ s^-1。膜层的形貌通过S-4800场发射扫描电镜(FESEM，Hitachi，Japan)观测。表面成分用X 射线能量色散谱仪(EDS)进行分析。反射光谱通过Lambda 750 紫外/ 可见/ 近红外分光光度计测试，通过测试样品的漫反射得到反射率。

2、结果与讨论

　　图1a 为不锈钢基底的XRD 图，在40°以后出现了不锈钢的一系列特征峰。图1b 为只镀了氮化钛的样品的XRD 图，和图1a 相比，在36.8°出现了一个新的峰，对应于Ti2N 的(112)晶面，证明了有Ti2N 生成。图1c 为氮化钛/ 二氧化硅膜的XRD 图，和图1b 相比，没有新峰的出现，说明形成的氧化硅为无定型的结构。从热力学角度看，薄膜的晶化需要克服一定的势垒，由于本实验中，SiO2 薄膜沉积是在无加热的条件下进行的，镀膜过程中薄膜的温度不能达到SiO2 晶态转变温度，因此得到的二氧化硅为无定形的结构。