ผลกระทบของค่าความลำเอียงเชิงลบต่อโครงสร้างและอัตราการตกสะสมของฟิล์ม TiN Multi-Arc Ion

เมื่อใช้อุปกรณ์เคลือบผิวแบบหลายชั้นในการเคลือบฟิล์ม TiN บนพื้นผิวของเหล็กกล้าความเร็วสูงที่ขัดเงาโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงค่าพารามิเตอร์อื่น ๆ จะมีการตรวจสอบอิทธิพลของแรงดันไฟฟ้าแรงเหวี่ยงต่ออัตราการเกิดของฟิล์มบาง ๆ ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าเมื่อมีการเพิ่มขึ้นของอคติเชิงลบอัตราการสะสมจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง แต่เมื่อความอคติเชิงลบถึงค่าหนึ่งแล้วอัตราการสะสมจะลดลงเมื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าอคติ

เนื่องจากมีความแข็งสูงค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำความเฉื่อยของสารเคมีที่ดีสีที่ไม่ซ้ำกันและความสามารถในการเข้ากันได้ดีกับสารชีวภาพฟิล์ม TiN จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเครื่องจักรกลพลาสติกสิ่งทออุตสาหกรรมการแพทย์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์และอุตสาหกรรมอื่น ๆ เป็นหนึ่งในวัสดุฟิล์มบางที่ใช้กันแพร่หลายมากที่สุดในงานวิจัยและการประยุกต์ใช้ในภาคอุตสาหกรรม มีหลายวิธีในการเตรียมฟิล์ม TiN ซึ่งเป็นที่นิยมกันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมในปัจจุบัน เทคโนโลยีนี้เริ่มต้นในยุค 60 และได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็วนับ แต่นั้น แผ่นฟิล์มบางที่มีไอออนเรียงตัวหลายชั้นมีข้อดีหลายอย่างเช่นการยึดเกาะฟิล์มที่แข็งแรงความหนาแน่นสูงของชั้นฟิล์มวัสดุหลากหลายประเภทที่สามารถชุบได้การเคลือบผิวที่ดีรอบ ๆ และอุณหภูมิการสะสมต่ำ อย่างไรก็ตามปัจจัยหลายอย่างมีผลต่อคุณภาพของฟิล์มในระหว่างขั้นตอนการเคลือบผิว การศึกษาในประเทศและระหว่างประเทศได้แสดงให้เห็นว่าพารามิเตอร์กระบวนการหลักที่มีผลต่อการชุบไอออนแบบ multi-arc คือเป้าหมายของแคโทดปัจจุบันแรงดันก๊าซปฏิกิริยาความอคติเชิงลบของพื้นผิวแรงดันของไนโตรเจนและอุณหภูมิการสะสมของสารตั้งต้น

ในบทความนี้เราศึกษาอิทธิพลของอคติเชิงลบต่ออัตราการสะสม เมื่อสารตั้งต้นเป็นลบลำเอียงไอออนในพลาสม่าจะเร่งโดยอคติเชิงลบสนามไฟฟ้ากับพื้นผิว เมื่อถึงพื้นผิวของพื้นผิวไอออนจะจู่โจมพื้นผิวและถ่ายเทพลังงานที่ได้จากสนามไฟฟ้าไปยังพื้นผิวซึ่งจะทำให้อุณหภูมิของพื้นผิวสูงขึ้น ดังนั้นแรงดันเจตนาเชิงลบของพื้นผิวมีอิทธิพลอย่างมากต่ออัตราการเกิดการตกตะกอนความเค้นตกค้างภายในแรงยึดเกาะของฟิล์มและพื้นผิวสมบัติการเสียดสีของเมมเบรน / ฐานในกระบวนการเคลือบผิว การเปลี่ยนแปลงความอคติเชิงลบของพื้นผิวสามารถปรับพลังงานของไอออนที่ฝากและอุณหภูมิพื้นผิวของพื้นผิวเพื่อควบคุมคุณภาพของเคลือบได้ ได้ศึกษาอิทธิพลของความอคติเชิงลบต่อโครงสร้างและสมบัติของไทเทเนียมไอออนแบบหลายโค้ง อย่างไรก็ตามผลกระทบของความอคติเชิงลบต่ออัตราการสะสมของฟิล์มบาง ๆ ไม่ค่อยมีรายงาน บทความนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาอิทธิพลของความลำเอียงเชิงลบต่ออัตราการสะสมของฟิล์ม

1. วิธีการทดลอง

ใช้เหล็กกล้าความเร็วสูงขัดเงาเป็นวัสดุฐาน ตัวอย่างถูกล้างด้วยอัลตราโซนิกด้วยเอทานอลที่แน่นอนเป็นเวลา 20 นาทีจากนั้นพื้นผิวของพื้นผิวถูกเช็ดด้วยสารละลายเอทานอลและอะซิโตนทั้งหมดแล้วนำไปอบแห้งและนำมาวางไว้บนกรอบพื้นฐานของระบบเคลือบผิวโค้งหลายอัน ระหว่างเป้าหมายกับพื้นผิว 250 มม. เมื่อห้องสูญญากาศถูกสูบไปยังสูญญากาศพื้นหลังของ 2.6 × 10-3 Pa ก๊าซอาร์กอนถูกคิดค่าบริการ 5 Pa ~ 10 Pa และแรงดันไฟฟ้าเชิงลบ 500 V ถูกนำไปใช้กับชิ้นงาน หลังจากเก็บรักษาเป็นเวลา 2 นาทีถึง 3 นาทีแรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเป็น 900 V. ก๊าซอาร์กอนจะก่อให้เกิดเรืองแสงลาเวนเดอร์พลาสมาภายใต้แรงดันไฟฟ้าต่ำและภายใต้การทำงานของสนามไฟฟ้าไอออนอาร์กอนจะทิ้งระเบิดชิ้นงาน หลังจากที่มีการเรืองแสงแก๊สอาร์กอนจะลดลงประมาณ 2 Pa แรงดันไฟฟ้าเชิงลบของแรงบิด 900 V จะถูกนำไปใช้กับชิ้นงานและเป้าหมาย Ti ถูกจุดติดตั้งจากนั้นพื้นผิวจะถูกทิ้งระเบิดด้วยไอออนโลหะที่มีพลังงานสูง หลังจากทำความสะอาดแรงดึงดูดเชิงลบได้ปรับเป็น 0 V, 50 V, -100 V, -150 V, -200 V และ -250 V ตามลำดับ และฟิล์ม TiN ถูกนำมาฝาก ระหว่างกระบวนการเคลือบผิวแรงดันไฟฟ้า U U = 20 V, กระแสโค้ง I = 65 A และระยะเวลาการหลุดร่อน 30 นาที การวิเคราะห์ด้วยรังสีเอ็กซ์ใช้วิเคราะห์โครงสร้างเฟสของฟิล์ม โครงสร้างจุลภาคของสารเคลือบถูกวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด วัดความหนาของฟิล์มโดยใช้ Profiler XP-2 จากนั้นคำนวณอัตราการตกสะสมตามความหนาที่วัดได้และระยะเวลาการตกตะกอน

2. ผลการวิเคราะห์

2.1 โครงสร้างเฟสของฟิล์มภายใต้อคติที่แตกต่างกัน

ภาพที่ 1 แสดงรูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ของฟิล์ม การวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าองค์ประกอบของเฟสของฟิล์มเป็นเฟส TiN เมื่อไม่มีการใช้อคติจะเห็นได้ว่ายอดการเลี้ยวเบนของ diffraction ที่สอดคล้องกับเครื่องบินคริสตัล TiN (200) และ (220) แต่จุดสูงสุดของการเลี้ยวเบนของ (111) ใกล้เคียงกับศูนย์ ยอดที่แข็งแกร่งที่สุดในสายนี้มาจากฐาน Fe (111) ซึ่งแสดงให้เห็นว่าความหนาของฟิล์มมีขนาดเล็กและรังสีเอกซ์ทะลุทะลวงพื้นผิว เมื่อเพิ่มแรงดันอคติแรงดึงดูดของคริสตัล (111) เริ่มปรากฏขึ้นและการวางแนวที่ต้องการ (200) อ่อนแอลงมาก เมื่อแรงดันไฟฟ้าอคติถึง 200 V ฟิล์ม TiN จะแสดงถึงความต้องการที่แข็งแกร่ง (111) เราสังเกตว่ายอด Fe (111) ค่อยๆอ่อนลงเมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นซึ่งแสดงให้เห็นว่าความหนาของฟิล์มมีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ

รูปที่ 1 รูปแบบการเลี้ยวเบนของ XRD ของฟิล์ม TiN ที่ได้รับภายใต้แรงดันไฟฟ้าอคติต่างกัน

2.2 การเคลือบผิวสัณฐานวิทยา

รูปที่ 2 สัณฐานวิทยาพื้นผิวของการเคลือบ TiN

ในการเคลือบผิวด้วยไอออนแบบหลายโค้งจะมีอนุภาคที่กระจายตัวอยู่บนผิว โดยทั่วไปเชื่อกันว่าเป้าหมายละลายลงในหยดเล็ก ๆ ภายใต้อุณหภูมิสูงของส่วนโค้งภายในและพ่นออกแล้วเกาะติดกับผิวเคลือบในรูปของอนุภาคที่เป็นของแข็ง ความแข็งของโดเมนเหล่านี้ต่ำกว่าฟิล์ม TiN จุดด่างอ่อนเหล่านี้เป็นอันตรายต่อสมรรถนะของเครื่องมือเคลือบและลดพื้นผิวของเครื่องมือ สามารถสังเกตได้จากการสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่อนุภาคพื้นผิวเคลือบ TiN โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 1 มม. ถึง 2 ไมครอนและจำนวนอนุภาคที่มีขนาดไม่เกิน 5 ไมครอนมีขนาดเล็ก