磁控濺射技術(shù)設(shè)計(jì)合成ZrN-WN和CrN-ZrN納米多層膜的研究.pdf

1、本文在Si(100)基底表面上分別利用超高真空射頻磁控濺射技術(shù)(ultra-highvacuum rf magnetron sputtering system)設(shè)計(jì)合成ZrN／WN納米多層膜，利用非平衡直流磁控雙靶交替反應(yīng)濺射技術(shù)(unbalanced dual-cathode dc reactive magnetronsputtering system)設(shè)計(jì)合成CrN／ZrN納米多層膜。利用納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)研究薄膜的機(jī)械性能，包括表面

2、硬度、彈性模量以及薄膜與基底的附著力；還通過(guò)x射線(xiàn)衍射(XRD)，俄寫(xiě)電子能譜(AES)，X射線(xiàn)光電子譜(XPS)和掃描電子顯微鏡(SEM)等分析手段研究了薄膜的結(jié)構(gòu)特征。揭示多層膜體系的結(jié)構(gòu)和性能以及工藝參數(shù)之間的相互關(guān)系，找出合成最佳多層膜的工藝，使多層膜體系的硬度和附著力優(yōu)于單質(zhì)薄膜材料。 1．利用超高真空射頻磁控濺射技術(shù)設(shè)計(jì)合成ZrN／WN納米多層膜。工藝參數(shù)中，工作氣壓、氮分量、總調(diào)制周期和ZrN／WN的調(diào)制比對(duì)薄膜的

3、晶體結(jié)構(gòu)有較大影響，所有的多層膜都表現(xiàn)出了明銳的ZrN(111)與W<,2>N(111)結(jié)晶取向?？偟墓ぷ鳉鈮簽?.8 Pa，Ar與N<,z>氣體流量的比例保持在5∶1，總調(diào)制周期為30 nm，ZrN層與WN層調(diào)制比例tZrN∶tWN=2∶3時(shí)制備的ZrN／WN納米多層薄膜，W<,2>N(111)峰加強(qiáng)并出現(xiàn)W<,2>N(200)與W<,2>N(311)峰，結(jié)晶開(kāi)始出現(xiàn)多元化。說(shuō)明適當(dāng)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)有利于混合晶相的氮化物生成，這可能會(huì)影響

4、多層膜的機(jī)械性能。 小角度X射線(xiàn)衍射圖譜、SEM以及AES測(cè)試結(jié)果均表明：ZrN／WN多層膜有很好的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)，界面清晰。從小角度XRD圖譜計(jì)算出不同調(diào)制周期的ZrN／WN多層膜A分別為9.2 nm和30.4 nm。薄膜內(nèi)部含有的主要元素為Zr、W和N，在合成薄膜的化學(xué)反應(yīng)中，zr、W和N的反應(yīng)是占主要地位的。 利用納米壓痕儀對(duì)薄膜進(jìn)行納米硬度、彈性模量以及劃痕實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：工藝參數(shù)中，工作氣壓、氮分量、總

5、調(diào)制周期和ZrN／WN的調(diào)制比對(duì)多層薄膜的機(jī)械性能產(chǎn)生顯著影響。納米多層膜的硬度、模量和臨界載荷都較ZrN和WN單質(zhì)薄膜有所提高。其中總工作氣壓為0.8 Pa，Ar與N<,2>氣體流量的比例保持在5∶1，總調(diào)制周期為30 nm，ZrN層與WN層調(diào)制比例t<,ZrN>∶t<,WN>=2∶3時(shí)制備的ZrN／WN納米多層薄膜硬度與模量值分別達(dá)到最高值34 GPa和424 GPa，臨界載荷超過(guò)100mN。表明薄膜的機(jī)械性能與工藝參數(shù)有著直接的聯(lián)

6、系。 以上結(jié)果表明，利用超高真空射頻磁控濺射系統(tǒng)制備ZrN、WN及一系列的ZrN/WN納米多層薄膜，通過(guò)控制工藝參數(shù)中的工作氣壓、氮分量、總調(diào)制周期和ZrN/WN的調(diào)制比，合成具有高硬度、高模量和低應(yīng)力的納米多層膜是可以實(shí)現(xiàn)的。可望成為應(yīng)用于刀具的涂層材料，提高刀具的切削速率，延長(zhǎng)刀具的使用壽命。 2．利用非平衡直流磁控雙靶交替反應(yīng)濺射技術(shù)設(shè)計(jì)合成CrN/ZrN納米多層膜。XRD的分析結(jié)果表明：多層薄膜中都只出現(xiàn)了微弱的

7、ZrN(111)峰，在較高的N<,2>流量時(shí)，CrN的(111)取向十分突出，隨著NH<,3>/N<,2>比例的增加，CrN(111)峰的強(qiáng)度減小，出現(xiàn)一個(gè)很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)Cr<,2>N(211)或CrN(220)的結(jié)構(gòu)。由于NH<,3>的化學(xué)性能較N<,2>活潑，在反應(yīng)氣體中通入適量的NH<,3>有利于混合晶相的氮化物生成。 CrN/ZrN多層膜調(diào)制周期的信息直接由小角度XRD給出，轉(zhuǎn)速為11rpm和4rpm的樣品調(diào)制周期A分別為2

8、.2 nm和3.6 nm。XPS的分析結(jié)果表明：薄膜表面含有的主要元素為C、O、N、Cr、Zr，與設(shè)計(jì)成分符合。AES測(cè)試結(jié)果表明：在N<,2>和NH<,3>流量分別為0.63和0.17 sccm的條件下合成的CrN/ZrN多層膜，薄膜內(nèi)部含有的主要元素為Cr，Zr和N，其含量保持恒定且與設(shè)計(jì)的薄膜成分基本一致，說(shuō)明在合成薄膜的化學(xué)反應(yīng)中Cr，Zr與N的反應(yīng)是占主要地位的。 薄膜的機(jī)械性能分析表明：基底轉(zhuǎn)速為11rpm，N<,2

9、>流量為0.63 sccm，NH<,3>流量為0.17 sccm時(shí)，多層薄膜的納米硬度達(dá)到最佳值32 GPa。機(jī)械性能的明顯改善與薄膜的層狀結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)中混合晶相CrN(111)，Cr<,2>N(211)或者CrN(220)，ZrN(111)的形成有著密切的關(guān)系。多層膜的性能明顯優(yōu)于單質(zhì)薄膜?；椎霓D(zhuǎn)速，反應(yīng)氣體的種類(lèi)及流量對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能有著直接的影響。 以上結(jié)果表明，用非平衡磁控雙靶交替反應(yīng)濺射方法制備CrN/ZrN納米