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Ti/TiN多层透光硬质薄膜的磁控溅射制备与研究

作　者: 张建
导　师: 熊金平
学　校: 北京化工大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 磁控溅射 Ti/TiN多层薄膜 透光性能 耐蚀性能 显微硬度
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


Ti/TiN多层周期结构是Ti薄膜和TiN薄膜垂直于薄膜方向上交替生长而形成的多层结构,Ti/TiN多层周期结构薄膜具有Ti和TiN所表现的硬度和耐磨性能,而且这种软硬相间的多层周期结构薄膜具有良好的硬度,耐蚀性以及优异的光学性能,是单层Ti薄膜或TiN薄膜所不能兼备的。以往的研究主要集中于提高多层周期结构薄膜的硬度、摩擦性能等方面,并取得了一些较好的成果,但在多层周期结构薄膜的耐腐蚀性、光学性能方面的研究和探索则明显不足。根据预实验结果和文献资料,本文设定了Ti/TiN薄膜沉积工艺参数：氩氮流量比为20,靶电流为3.2A,腔体压力为0.4Pa,衬底温度为300℃,调制周期为400nm,调制比为200nm:200nm,沉积时间为120min。对于不同工艺参数下所制备的Ti/TiN多层周薄膜的物相、表面形貌等进行了表征。研究结果表明：氩氮流量比、衬底温度、靶电流和腔体气压等工艺参数对于所制备薄膜的结构与形貌都有影响,其中氩氮流量比的改变对于所制备薄膜的影响最大。对Ti/TiN多层薄膜的力学性能的研究表明：工艺参数对于所制备的薄膜的力学性能存在影响。随着制备工艺参数(氩氮流量比、衬底温度、靶电流和腔体气压)的提升,所制备薄膜的显微硬度和杨氏模量先生后降,在较高或者较低的工艺参数水平下,所制备薄膜的显微硬度和杨氏模量都相对较低,实验条件下所制备的薄膜的硬度最高可以达到HM0.02N8000,杨氏模量最高可以达到156GPa。研究发现调制比和调制周期对于薄膜的硬度和杨氏模量的影响较大,Ti/TiN多层薄膜的力学性随着Ti/TiN调制比的升高而降低；在调制比较高的情况,所制备薄膜的力学性能随薄膜的调制周期的增大而减小,在调制比较低的条件小,所制备薄膜的力学性能随薄膜的调制周期的增大而增大。对Ti/TiN多层结构薄膜进行透光性的分析,得到薄膜制备工艺与薄膜透光性的相关关系,结果表明随着氩氮比和温度的增加,薄膜对于紫外-可见的透光率呈有规律地下降,呈现出很好的对可见光的光谱选择性。衬底温度和靶电流的升高使薄膜的透光性降低。随着沉积时间的加长,所制备薄膜的透光率降低。研究了Ti/TiN多层周期结构薄膜的耐蚀性。研究表明随着氩氮比降低,所制备薄膜的耐腐蚀性能有显著提高；靶材的衬底温度较高时,其所制备薄膜的耐蚀性也较高。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-15
第一章 绪论  15-27
  1.1 导言  15-16
  1.2 纳米多层薄膜性能及研究概况  16-17
  1.3 纳米多层薄膜材料的制备技术  17-22
    1.3.1 电弧离子镀  18-19
    1.3.2 离子束辅助沉积  19
    1.3.3 磁控溅射技术  19-22
  1.4 Ti/TiN多层薄膜的性能  22-25
    1.4.1 Ti/TiN多层薄膜的机械性能  22-24
    1.4.2 Ti/TiN多层薄膜的光学性能  24-25
    1.4.3 Ti/TiN多层薄膜的耐蚀性能  25
  1.5 课题的提出  25-27
第二章 实验原理与方法  27-35
  2.1 实验研究思路  27-28
  2.2 实验仪器介绍  28-29
    2.2.1 磁控溅射设备的基本结构与组成  28
    2.2.2 靶的结构尺寸及多基片结构  28-29
    2.2.3 烘烤照明装置  29
  2.3 实验材料  29-30
    2.3.1 反应气体  29-30
    2.3.2 溅射靶材  30
    2.3.3 溅射基片  30
  2.4 Ti/TiN多层薄膜的工艺流程  30-31
  2.5 薄膜的微观分析  31-32
  2.6 Ti/TiN多层薄膜的性能研究  32-35
    2.6.1 Ti/TiN多层薄膜膜层厚度的测量  32-33
    2.6.2 Ti/TiN多层薄膜的硬度与杨氏模量测试  33
    2.6.3 Ti/TiN多层薄膜的透光率测试  33
    2.6.4 Ti/TiN多层薄膜的抗腐蚀性能  33-35
第三章 Ti/TiN多层薄膜的沉积工艺  35-53
  3.1 TiN薄膜基本沉积参数的设定  35-38
    3.1.1 TiN薄膜沉积参数  35-36
    3.1.2 设定条件下沉积TiN薄膜的结构与形貌  36-38
  3.2 Ti薄膜基本沉积参数的设定  38-39
  3.3 Ti/TiN多层薄膜基本沉积参数的设定  39-43
    3.3.1 Ti/TiN多层薄膜基本沉积参数  39-40
    3.3.2 设定工艺参数下沉积Ti/TiN薄膜的结构分析  40-42
    3.3.3 设定工艺参数下沉积Ti/TiN薄膜的形貌分析  42-43
    3.3.4 Ti/TiN多层薄膜的生长速率  43
  3.4 工艺参数对Ti/TiN多层薄膜的结构与形貌的影响  43-51
    3.4.1 氩氮气流量比对于Ti/TiN多层薄膜的影响  43-46
    3.4.2 腔体压力对于Ti/TiN多层薄膜的影响  46-47
    3.4.3 靶电流对于Ti/TiN多层薄膜的影响  47-49
    3.4.4 温度对于Ti/TiN多层薄膜的影响  49-51
  3.5 本章小结  51-53
第四章 Ti/TiN多层薄膜的力学性能研究  53-61
  4.1 氩氮流量比对薄膜力学性能的影响  53-54
  4.2 腔体气压对薄膜力学性能的影响  54-55
  4.3 靶电流对于薄膜的力学性能的影响  55
  4.4 衬底温度对于薄膜的力学性能的影响  55
  4.5 调制周期对于薄膜的力学性能的影响  55-58
  4.6 本章小结  58-61
第五章 Ti/TiN多层薄膜透光性能的研究  61-71
  5.1 氩氮流量比对薄膜透光性的影响  61-63
  5.2 腔体压力对薄膜透光性的影响  63-65
  5.3 靶电流对薄膜透光性的影响  65-67
  5.4 衬底温度对薄膜透光性的影响  67-69
  5.5 沉积时间对薄膜透光性的影响  69
  5.6 本章小节  69-71
第六章 Ti/TiN多层薄膜的抗腐蚀性能研究  71-73
  6.1 氩氮气流量比对于Ti/TiN多层薄膜耐蚀性的影响  71-72
  6.2 衬底温度对于Ti/TiN多层薄膜耐蚀性的影响  72-73
第七章 结论  73-75
参考文献  75-79
致谢  79-81
研究成果及发表的学术论文  81-83
作者和导师简介  83-84
附录  84-85

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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