（材料学专业论文）离子注入预处理对tinal膜基体系力学性能影响的研究.pdf

上海交透大学薄士学证论文 离子注入预处理对t i n a i 膜基体系力学性能影响的研究 摘要 陶瓷材料t i n 与金属铝之间的性能悬殊差异( 如硬度、弹性模量、热膨胀系数1 导致 膜基体系的界面处力学性能很麓。为提高t i n a l 的结合强度，常采用t i 和n i p 中间 层亲进行羧罄。本文在国家良然科学基金顼墨“锯合金表嚣多层膜结掇与力学性能关系 磅究”f n o 5 0 2 7 1 0 0 4 ) 资瑟下，程缝铝基薄枣孝耩上纛滚磁控溅射筑莰嚣稻t i n 簇之 ；誊采 用离子注氮或注钛预处理，并研究其对薄膜断裂韧发、膜基结合强度以及摩擦磨损性能 的影响。缩果表明，与常规t i 中间过渡层方法相比，离子注入改性预处理能更有效地 改善t i n a l 膜基体系的力学性能。 酋先耀饿歇电子能谱( a e s ) ，x 射线光电子熊诿( x p s ) ，x 射线衡麓仪( x r d ) f f 究了 铅基露注入潋经垂蕊篷织结稳及葵对t i n 貘结秘戆影响；并爱覆予力遂徽镜蕊察t i n 羧 的表面形貌。研究结果表明：锅基体离子注氮、钛蔚，n 、n 在注入朦中星近似高斯分 布，并在注氮层中生成了a i n 中间相，而注钛层则嫩成了a 1 3 t i 中间相；铝基体离子注 入处理后，t i n 膜的择优取向发生了改变，t i n f r i a l 和t i n a j 体系主要表现为( 1l1 ) 择优取向，裹予注入改性震镀t i n 则主要袋瑰为( 20o ) 择优取肉。t i n a 1 ， 萎n t + 一i m p l a n t e da i 越及t i n n * 一i m p l a n t e da i 舔系中t i n 豹螽粒大，l 、分鬟约为5 8 n m ， 6 0 r i m 和8 0 n m ，经注钛改性钓藏体表面对t i n 晶粒的大小没有影响，黼经注氮后则晶粒 尺寸有较大的增加，膜层表面的粗糙度变大。 膜基体系的纳米压入实验中发现加载位移曲线中出现不连续台阶，与之对应，在 扫描电镜下躐察到压痕周围出瑷嚣裂现象。本文以赋现象来研究t i n 媵罄体系的断裂锻 度，蒡建立蠢陵元模鍪定往分辨了俸系鹣应力分毒，经涯了实验露结论。在注久裁量为 1 1 0 1 7 c m 2 、柬流密度约为2 5 t x a c m 2 ，加速电蓬为4 0 k v 以下进行离子注氮改性，加速 电压( 亦即注入能量) 越高，加躐位移曲线中出现不适续台阶的临界栽葡越大：注入剂 量为2 1 0 “c m 2 、束流密度约为2 5 9 a c m 2 ，加速电雁为4 0 k v 以下离子注钛也得出同样 的结果。缀计算得出，t i n a 1 ，t i n t i a 1 ，t i n n * 。i m p l a n t e d a i ( 3 0 k v ) ，t i n t i + - i m p l a n t e d 越疆。叠v ) 体系中t i n 骥戆繇袈额度分裂为l 。4 5m p a 珑，i ，8 3 蕊移a 磁，2 ，2 3m p a m 和2 ，4 1m p a 4 m 。有限元模型瑷论分析表鞠，成分嫩近似高斯分布静注入增强层能有效 地缓和界筒窳力集中。 t i n 膜的结合力用m i c r o * s c r a t c ht e s t e r 来测量。结果发现，与单纯撼体离子注入改 性、以及存在3 0 0 r i m t i 中间过渡层体系相比，离子淀入改性加t i 中间过渡屡、1 0 9 m n i p 上海变逶大学耩圭攀靛论文 中闯过渡层羰她濮羼，划疫试验中熊黪擦系数豹魃线姆 垂器簇基体系懿失教攘式发生了 变位。基体洙缀躐处灌、蕈缝离予注入或攀缝瓢中闷过渡麓预处瑷的情徽下，娜痕试 凌申，摩擦煞数袭蕊轰凳然渡凌蕊璧4 # 袋憔荚系，缀熬体量壤大憝势，失效攥式袭溪为 蓊枣麦效。程离子注a 致黎热纛串鬻过渡鬟或 脚鹣獠零孛鬻过渡鼷黎德嚣下，葵 摩擦系数璺避似竣往增长，低载端翻麓载赞除段熟斜辩发生了变纯，两不溺勰率粪线浆 交点与声发黼穗姆静突然增大点蝴哟合，撂戴嚣剿麟潜膜失效静灏辨簸蒋。丽置， 取州t i 曩+ - i m p a l n a t e da 1 体系表现热t e n s i l ec r a c k 失效，t i n n i * p 瑙表现热e o n f o n n mc r a c k 失装。单纯凑予注爨鞭楚疆书，灏涟噬匿瓷3 0 k v 、注入裁登为 1 0 耵e r a 3 辩褥羧黎最 嚣，嚣簧予注铰嚣；鸯嚣蘧毫嚣凳4 0 k v 、淫天裁耋受2 t 0 ”殛矛薅爨蹙，这瑟释互麓下， 薄蔟靛嗣壤拣释载簿为t i n a i 傣徽灏2 。5 禧。t i n t i t i * - i m p l a n t e da 1 ，t i n n i ，转越藩系 的划痕临界娥树约为t i n a 体鬣的6 倍。 脆性膜艨懿藏潦攘魅蕤与其麟戮襁疫糯蒜，基结窘强震密惦稽关，越糟断髓韧囊秘结 台强震的增大，靛潦损性缝褥赘艄强。t i n 袋鲢缀稳落一宠黎整上影穗蓑瓣瓣涎黪攘瞧 麓。乓毫变鬣舞主魏i l 黎鞠校滤，注文矮夔嚣麓澎戚靛000 绥黎爨簿瓤予挺囊t i n 膜的减摩瞧能戳及与蕊落翡辩合谶艘。摩撩塞损实验结槊寝鹱，镪基体缀髓鬻予凌久预 处理聪，体袋的摩擦系数蒋较大辩低。 在t i n a l 力学性能得到改饕熟撼础上，零文磷究了d l c t i c t i c n t i n t i 梯发多 鬟袋。d l c 多燃貘鼷京整令摩擦黪犊娶验避程中f 嘲黻) 臻捺系数保持态0 , 2 左右，丈 夫蘩蓑了垒耩糕麓慧霞寿套。 关键词；t i n 薄腻，类金刚石碳麟l e ) ，离子注入，缚合强度，断裂搠燎，黪擦健能， 有限元模救 h 圭塑銮望查兰堡主兰黧燕兰 s t u d y o ne f f e c to fp r e i m p l a n t e ds u b s t r a t eo nm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft i n a ! s y s t e m a b s t r a c t i nt h i sw o r k 。t i nf i l m sw e r ed e p o s i t e do na l u m i n u ms u b s t r a t et oi m p r o v ei t s w e a r - r e s i s t i n gp r o p e r t ya n dt o a d - c a p a b i l i t tb yu s i n gd cm a g n e t r o ns p u t t e r i n gt e c h n o l o g yi na c u s t o m 。d e s i g n e dm u l t i f u n c t i o n a li o ni m p l a n t e r h o w e v e r , t h ea d h e s i o no ft i nf i l m so n a l u m i n u ms u b s t r a t ei sw e a kb e c a u s eo f t h el a r g ee l i f f e r e n c e si nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb e t w e e n t w om a t e d a l s u s u a l l y , p r e t r e a t m e n to ft l l ea l u m i n u ms u b s t r a t es u c ha si n t r o d u c t i o no ft ia n d n i - pi n t e r l a y e rc a ni m p r o v et h ea d h e s i o ns t r e n g t ha n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ea b o v et i n f i l m s i nt h i sw o r k ，t h ea l u m i n u ms u b s t r a t e sw e r ep r e i m p l a n t e db yt i t a n i u ma n dn i t r o g e n r e s p e c t i v e l yp r i o rt ot h ed e p o s i t i o no ft i nf i t m s a n dt h ee f f e c to fs u c hp r e t r e a t m e n to n a d h e s i o ns t r e n g t h ，m e c h a n i c a la n dw e a r - r e s i s t i n gp r o p e r t yo f t i nf i l m si ss t u d i e d f i r s t l y ，t h ee f f e c to fi o ni m p l a n t a t i o nm o d i f i c a t i o no fs u b s t r a t eo nt h em i c r o s t r u c t u r eo f i m p l a n t e dl a y e ra n d t i nf i l m sw a ss t u d i e db yu s i n ga u g e re l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( a e s ) ，x r a y p h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x p s ) ，x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) 。a t o 蟠cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) w a su s e dt oo b s e r v et kn 1 r f a c et o p o g r a p h y 锺t 湃f i l m s a e sr e s u l t ss h o w e dt h a tb o t ho f 秘 a n dn p r o f i l e sr e s e m b l er o u g h l yg a u s s i a nd i s t r i b u t i o n s ，a n8 0 n mt h i c ka i ng r a d i e n tl a y e ri s f o r m e da f t e rn i t r o g e ni o ni m p l a n t a t i o n a st ot i t a n i u mi o ni m p l a n t a t i o n ，8 2 n mt h i c ka 1 3 t i i n t e r m e t a l l i cl a y e ri so b s e r v e d x r dr e s u l t ss h o wt h a tt h et e x t u r eo ft i nf i l m si sa f f e c t e db y i o ni m p l a n t a t i o no fa l u m i n u ms u b s t r a t e 。n e ( 1l1 ) p l a n ei st h ep r e f e r r e do r i e n t a t i o nf o r 强 蕊| p qa n d 建| 整s y s t e m sw h i c hi sc o m m o n l yr e p o r t e di np r e v i o u ss t u d i e s h o w e v e r t h e p r e f e r r e do r i e n t a t i o no b s e r v e dt ob e ( 2 0 0 1f o rt i n 难r w i m p l a n t e da 1a n dt i n n + - i m p l a n t e da 1 s y s t e m s t h eg r a i ns i z eo ft i nf i l m si sc h a n g e db yn i t r o g e ni o ni m p l a n t a t i o no fa l u m i n u m s u b s t r a t e ，b u ti ti sn o tf o u n di nt h et i i m p l a n t e ds a m p l e 。g r a i ns i z e so ft i nf i l m si nt i n a i t i n ，t i + i m p l a n t e da 1a n dt i n n + - i m p l a n t e da 1s y s t e ma r e5 8 ，6 0a n d8 0 n m ，r e s p e c t i v e l y i ti so b s e r v e dt h a td i s c o n t i n u o u sp l a t e a u so c c u r r e di nl o a d i n g d i s p l a c e m e n tc u r v ed u r i n g i n d e n t e rp e n e t r a t i n g c o r r e s p o n d i n g l y , c r a c k sw e r eo b s e r v e da r o u n dt h ei n d e n t a t i o nb ys e m t h u sl o a d i n g - d i s p l a c e m e n tc u r v ec a nb eu s e dt oo b t a i nt h ef r a c t u r et o u g h n e s so ft i nf i l m s u n d e r1xl0 “c m 2 、2 5 斗a c m 2 ，l e s st h a n4 0 k vn i t r o g e ni o ni m p l a n t a t i o n ，t h ec r i t i c a lt o a d w h e r ep l a t e a uo c c u ri n c r e a s e s 诚墩t h ei n c r e a s i n ge n e r g y , 弧1 es a m er e s u l ti so b s e r v e df o rt h e i i i 上海交透太学博士学位论文 c a s eo f2 x 1 0 1 7 c m 2 、2 5 p a c m 2 ，l e s st h a n4 0 k vt i t a n i u mi o ni m p l a n t a t i o n ，t h ef r a c t u r e t o u g h n e s so fj r i n a l ，t i n t i a i ，t i n n + 一i m p l a n t e d a i ( 3 0 k v ) ，t i n 厂r i m p l a n t e d a l ( 4 0 k v ) s y s t e mi s i a 5m p a x m ，1 8 3m p a q m ，2 2 3m p a 4 ma n d2 4 1m p a q m ，r e s p e c t i v e t y f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n gg 酬) r e s u l ts h o wt h a ti o ni m p l a n t e dl a y e rw i t hg r a d i e n tm o d u l e c a l lm o l ee f f e c t i v e l yd e c r e a s es t r e s sc o n c e n t r a t i o na tt h ei n t e r f a c eb e t w e e n 靛融a n ds u b s t r a t e t h a nt ii n t e r l a y e r 。 m i c r o w s c r a t c ht e s t e rw a se m p l o y e dt om e a s u r et h ea d h e s i o ns t r e n g t ho ft i nf i l m so n s u b s t r a t e s c o m p a r e dw i t hp r e t r e a t m e n to fi o ni m p l a n t a t i o no rd e p o s i t i o no f3 0 0m nt i i n t e r l a y e r , c h a r a c t e r i s t i cf r i c t i o nc o e f f i c i e n t sg q i sc h a n g e da f t e rp r e t r e a t m e n to ft 0 黼 n i - 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i m p l a n t e da 1s y s t e mi s2 j 4t i m e s 穗e 委黼；s y s t e m s c r a t c hc r i t i c a l l o a do ft i n t i t i + - i m p l a n t e da ts y s t e ma n dt j n ，n j 协us y s t e mi sn e a r l y6t i m e st h et i n a t s y s t e m i ti sc o n c l u d e dt h a t 也ef a i l u r em o d eo ft i n a 1 t i n t i + - i m p l a n t e da la n dt 订w t i a 1 s y s t e ma r es p a l l a t i o nf a i l u r e t e n s i l ec r a c k i n go c c u r sw h e nt h ec o a t i n gr e m a i n sf u l l ya d h e r e n t t kf a i l u r em o d eo ft i n n i p a ti st h et y p i c a lc o n f o r m a lt h j l u r e , m a i l et h et e n s i l ec r a c k i n g f a i l u r em o d ei so b s e r v e df o rt i n f r i f r i + - i m p l a n t e da t 。f e a mr e s u l t ss h o wt h a tt h es t r e s s d i s t r i b u t i o n so fd i f f e r e n ts y s t e m so nt h ei n t e r f a c eh a v et h em a i nc h a r a c t e r i s t i ct h a tt h e m a x i m u mv a l u e so fs t r e s s e sl o c a t eb e l o wt h er i g i ds c r a t c h i m p l a n t a t i o nm o d i f i c a t i o no f a l u m i n u ms u b s t r a t ei m p r o v e st h ea d h e s i o no f f i l mo na l u m i n u me f f e c t i v e l y t h ea n t i w e a rp r o p e 瞧yo fc o a t i n g s t r o n g l yd e p e n d s o ni t sf r a c t u r et o u g h n e s sa n da d h e s i o n o ns u b s t r a t e 。a n t i - w e a rp r o p e r t yi si m p r o v e dw i t ht h ef r a c t u r et o u g h n e s sa n da d h e s i o n i n c r e a s i n g m e a n w h i l e ，t h et e x t u r eo ft i nf i i ma l s oa f f e c t st h ea n t i w e a rp r o p e r t yo fc o a t i n g c o m p a r e dw i t h ( 1l1 ) t e x t u r ew h i c hi sc o n t r o l l e db ys t r a i ne n e r g y , t i nf i l m 讯t l ( 1 1 1 ) t e x t u r ec o n t r o l l e db ys u r f a c ee n e r g yh a v et h eb e t t e ra d h e s i o nw i ms u b s t r a t ea n da n t i w e a r p r o p e r t y a f t e rn i t r o g e ni o ni m p l a n t a t i o no fa l u m i n u ms u b s t r a t e , w e a r - r e s i s t i n gp r o p e r t yo f 上海交通大学博士学位论文 t i n a 1i si m p r o v e de f f e c t i v e l y a m o n gt h e m ，t h eo p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e ri s3 0 k v , 1 1 0 c m 2n i t r o g e ni o ni m p l a n t a t i o na n d4 0 k v 、2 x 1 0 1 7 c m 2 t i t a n i u mi o ni m p l a n t a t i o n t h e f r i c t i o n a lc o e f f i c i e mi sd e c r e a s e db yi o ni m p l a n t a t i o np r e t r e a t m e n to fs u b s t r a t e d l c i n c t i c n t i n t ig r a d i e n tm u l t i l a y e rw h o s et o t a lt h i c k n e s se x c e e d s1 0 1 a mw a sa l s o s t u d i e db a s e do nt h ee n h a n c e da d h e s i o no ft i nf i l m so np r e i m p l a n t e da l u m i n u ms u b s t r a t e f r i c t i o nc o e f f i c i e n to fd l c g r a d i e n tm u l t i l a y e rk e e p sac o n s t a n tv a l u e - 0 2d u r i n gw e a rt e s t ( o - 2 0 0 m ) ，a n dt h el i f e t i m eo fm e t a la l u m i n u mw i l lb eg r e a t l yi n c r e a s e d k e yw o r d s ：t i nf i l m s ，d i a m o n d l i k ec a r b o n ( d l c ) f i l m s ，i o ni m p l a n t a t i o n ，a d h e s i o n s t r e n g t h ，f r a c t u r et o u g h n e s s ，w e a r - r e s i s t i n gp r o p e r t y , f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n g v 上海交通大学! 学位论文答辩决议书 i l i i 齐划f “铺所 ：学科( 0 业)利丫 沦殳题i |离j i 沌入f , j i 删l t c , j i i n a i 脞埔体乐力学f q 锕l ! ；响的 l j 究 捧时i | j 0 】2 0 0 5 1 0 2 8挎舛地点戟二楼3 0 8 r = = = = ：_ ：_ = ：= = = = ：= ：= ：= = = ：l = ? ? = = = ：= = ：= ：= ：= = ! _ ：_ 一? 一一一i 幡槲盎弛会成* 什l h 驯；j 议： 刘 7 l 锦州学n ：纯锅) i 体利利j 二“流触控溅射沉积w i l 州nj | 5 l 之前采川离门i ：叛或j 钛糊 处j ! l ! ，) i i j l _ 究其埘浊腆断裂韧_ 皇：、膜，基结合强度以及胯擦麟损性能的影响。结粜农l j ，与 常姚“中间过渡屡方法相比，离子注入改性预处理能更有效地改善t i n a i 膜丛体系的力学 制：能。 。 该论文的士要结果及创新点娃：系统地研究了铝基体离子注入预处理对t i n 膜断裂韧 度、膜，基结台强度以及摩撩磨损性能的影响。在t i n t a i 结台强度平力学能得剑很人改 * f f , i 丝l i i j 上，进一步研究了d l c t i c t i c n t i n t i a i 多层般，鞍女，地段落哗攘脚损附：能 边刮了预期的日标。研究铝基体离子注入处理后，膜的择优取向发生了改变； 论文条理清晰，层次分明，数据可靠，分析严密，结论止确。答辩时表述清楚：能工l 确同 备川趔。作有丛伽埋记丰专业刘移i 孔头扎蒲础卫从* 科圳州再岜刀o 经答辩委员会表决，全票通过刘佑铭同学的博十论文答辩并建议授予博十学能。 枞髁：椰删国取， 附 簪滔 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下 独立进行研究工 乍所取得的成果。豫文中已经注明引用的蕊窖多b 本论文不包含任何其他个人或集体已经发农或撰写过的作晶或果 对本文的瞬究做出重要贡献的个人帮集体，均己在文中以s 目确专式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果幽本人承担。 学位论文作者签名：锄他弘 臣羯： 年p 胃参? 圜 t 附传五 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校傈辫荠商懑家有关都f 1 或视构送交论文懿复印传释电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交逐大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复翱手段傈存秘汇编本学位论文。 保密口，在一年鳃密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文储虢却”e 汽 圈期：一事年f 。胃冯日 内 哆， 貉嗍 名 手 鹳 蛑 9 p 刻 叩 取 期 上海交逶大学薅士学像论文 1 1 引言 第一章绪论 铝及锅合金资源丰富，价格适宜，且比强度好、密度低、抗氧化性好、耐蚀性 好和易成爨等一系歹优点，巴广泛应用于电子、汽车和蔽空航天领域。如电子领域： 铝台金浚广泛焉来强芯冀教熬李季瓣寂蕊片基髂枣孝摹毒。然恧在有藏瘗癸袋豹运动零罄 争 的应用中，由于铝及铝合金的硬度低，耐磨性麓，在摩擦时易精附，从而大大限制了 其应用。又如在大规模集成电路的应用中，可能产生的铝合金磨屑公敬使整个系统崩 溃，因此，对关键场合采用的锅含金进行表面改憔，使其表面具有离硬度、高耐磨性、 耐腐蚀的特点是目前国际表弼钡域的研究重点之。铝合金表蕊改性跫采取的摧施包 括涂辩、氮纯蔌末。整是，涂耱会影翡韬合金秘散热，表嚣氮纯豹滋瘦粼嚣要裹予锯 合金的蒋缡菇温度，所! 良寻砑乏新的表面改性技术缀有必要。 t i n 胺不仅具有金黄的颜色，还具有硬度高、耐磨性及耐蚀性好等特性，因而自 上世纪8 0 年代初以来t i n 薄膜一宜为热门的研究课题。目前在钢铁木才料基体上离子镀 t i n 膜的研究已经做了很多。并得到了广泛应用。例如作为硬质膜镀予工模具和机械零 孛上戳擦藤蓑醚热瞧、懿磨魏，并延长使强寿命。特翔是终蠹装镑馁秘绦护毪貘嚣广泛 应用予不锈钢割成的高档生活用品、装饰材辩帮建筑材料上”翊。t i n 膜所具备的优良啦 能也使之成为铝及铝合金表面改性理想的选择之一。目前国内外对铝和铝合金基体上镀 t i n 膜的研究不多，特别是t i n a 1 界面结合强度的研究工作更少，因而此项研究有十分 重要意义。 l 。2p v dt i n 涂瑟戆发矮与磁控溅隽| 技术 1 2 1p v dt i n 涂层的发展历史 p v d 技术中，真空蒸镀技术出现鞍旱，毽出予媵与基俸静结合力不离，多篪于装 牵搴榜麓鞠拳嚣俸元俘，嚣灌汉髑于王模曩。1 9 6 3 年，美鏊s a n d i a 公谶瓣d 。m 。m a t t o x 骂 首先提出离予镀( i o np l a t i n g ) 披术，并于1 9 7 6 年获得美国专利。两年精，美国的i b m 公司研制出射频溅射法，这样，离予镀、溅射锾和蒸镀构成了p v d 的三大系列，目 前发展最为迅速的是前两种技术。 上世纪7 0 年代和8 0 年代p v d 技术的蠛越萃鞋不断扩大应用，使褥表蟊涂层技术 薅一犟缝论 进入繁盛时期。1 9 7 2 年r ，f b t m s h a n 6 1 发明了活性反应蒸镀技术( a r e ) ；1 9 7 3 年美国摧 盘 了多弧离子锾，礴本的村山洋一 泼碉了射颓离子镀( r a d i o f r e q u e n c y i o n p l a t i n g ) ； t 9 7 4 年，小蜜潭治将空心骧缀放魄技术建予蔫予镀彩戒了瓣蘸广泛痰瘸熬交心鞠摄鬻 子镀( h c d ) 。隧瘊，又据继捺爨了磁控溅射离子镀、潘穗爱应离子锾、集涵采离子镀、 冷瞧弧裹予镀骆l 等。与藏媚庭，溅瓣搜零瞧褥到了遮邃熬发展，宠菇出鬻二缀、三级、 蹬级溅射、固轴靶、对毂、s 捻溅射、磁控溅射嚣射频溅瓣等按术姆。”l 。 上世纪8 0 年代还产生了将辉光放电的物理过程与化举气棚沉积耀结合的等离子 钵化学气穗沉积p c v d ( p l a s l n a a s s i s t e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) ，它具露p v d 的 低瀛性和c v d 易于调整化学成分与结构的性熊，但襻在的主要阔题是囊空溲 氐，涂 层杂质爨( c i ，0 ) 离，硬度低，沉积速率遗浚，涂层辕狡晶严霪并存程空澜等缺陷， p c v d 迩处于浚餍阶段。9 0 年代瀚际上对物理气楣沉积t i n 的基础研究翻益藿视和深 入，涂滋波t 忒二元荤蒺商多元涂蘑，热曩国n 、( t i ，a i ) e 搿) ，多屡涂瑟稻t i c + 鞭c n + t i n 多屡、t i t i n 多凄秘越患蓐涂层，默及笺台涂堪技术发展限娃l 。形成各 萋申涂层麴优势匿 ，扶悉太大撬麓了p v dt i n 涂层翡蠖裁；p v d 技术与葵它袭覆强 亿技术捆缝合，扶嚣形成套耪藏熬技零。跑较蠢代表憾的露将离子瀵入与气攘溅积锾 膜相结合越来的离予柬辅助沉积i b a d ( i o nb e a ma s s i s t e dd e p o s i t i o n ) 1 3 - t 5 1 , 兼有鼹 种工艺的优点，由于在气相沉积韵同时，用具商定能最的离子束轰击正在生长的膜 层戆质，使膜与纂俗材料的原子糨混合，界面艨予相互渗滤溶为一体，困磷大大改善 了与基体的结合强庹。物理气籀沉积与其它表黼强纯技术结合，形成复合涂层，可避 一步发撵p v dt i n 涂层豹优努，翔气体氮纯与p v 搭”、离子氮纯与n d 复合、化 学镀n i 。p 与p v d 美台。密予中辩；窭渡层瀚有力支撵，使褥复合涂麓得缩含力、耐蘑 性及其能力学热裁露较大提麓。 1 2 2 磁控溅射按拳 1 2 。2 。1 反应磁控溅懿薄蒺 溅射魑通道耨竞放电挺供麓离予或咚性鞭子撞卷靶褥表藤，蒋其动鬟传递绘靶 材，动量传递导致原子从靶表面溅射撼来。典擞的溅射系统如鬻1 。l 所添，该系统采 焉不锈镝材料翻作真空室，真空度通常抽到l 妒1 0 4 p 鑫，然后通入淆饿气体，如氩 气。真空塞肉为溅射襁和基体材料，靶和阳极之间的负魄位使惰性气体产生群光放电。 圈极出真空蹇舞豹接缝表覆缝藏，葱粪空饔譬、萋体，蕤至工件台。在等离子体放电 初麓，a r 中少爨懿惑子被蕊遮黧靶嚣，大多数离予与鞍液瑟发垒藩辩牲麓撞簌露失去 2 上海交通大学博士学位论文 _一一 能量，产生热量，而其余的能量则传递给靶材原子，使其克服键能而从靶表面朝基体 方向溅射，在基体表面沉积成薄膜。此外，靶面产生二次电子，使更多的a r 气电离， 以维持等离子体。 图1 i 溅射系统示意图 f i g 1 1s c h e m a t i co f a t y p i c a ls p u t t e r i n gs y s t e m 1 2 2 2 非平衡磁控溅射 平面磁控溅射由c h a p i n l ”j 于1 9 7 9 年发展起来并申请专利。他基于溅射理论，使 用磁场来提高沉积速率。由于磁控技术使溅射工艺能与其它的p v d 技术，如蒸镀和 阴极弧沉积技术相竞争，工业上加以了采用并迅速发展起来。由于磁体位于阴极结构 内部，使沉积速率得以提高。如图1 1 所示，磁体位于靶的后面，其产生的磁场使电 子被磁场约束而不能直接逃逸到阳极上去。遵循劳伦磁力，这些二次电子垂直磁场和 磁场方向( 五雪) 。如图1 五所示，电子被迫沿着跑道运动。在束缚电予形成的每一 次轨道运动过程中与舡离子碰撞并使其电离，被电离的离子又反过来撞击阴极，提 供新的电子束来维持放电，其产生的离子密度比没有磁场约束高出很多。w i n d o w 于 1 9 8 5 1 1 9 】年提出增大普通磁控溅射的杂散磁场，从而使等离子体范围扩展到基体附近的 非平衡磁控溅射阴极。普通磁控溅射阴极的磁场集中在靶面附近，而非平衡磁控溅射 的磁场大量向靶外发散，大大提高了沉积面积。 第一章绪论 图1 2 平面磁控靶的跑道 f i g 1 2p l a n a rm a g n e t r o ns h o w i n gm a g n e t i cc o n f i n e m e n t 1 2 2 3 离子溅射对薄膜生长的影响 影响薄膜的结构的因素有基体温度、沉积离子的能量以及轰击基体的离子能量。 t h o r n t o n 和m e s s i e r 2 0 , 2 1 l 等已经用结构区域模型( s z m ) 阐述了工艺与结构的关系。 图1 3 为t h o r n t o n 观察到的金属薄膜结构的s z m 。他将其结构分成四个特征区域，i 、 t 、i i 、i i i 。 这些区域边界的划分与工作气压和基体温度有关。区i 由柱状晶组成， 由于临近柱状晶的遮挡，晶体中产生了空隙。 由于基体温度低，沉积离子缺少足够 的活动能力来形成致密的结构。 在较高的工作气压下，由于沉积离子和从溅射靶表 面反射出来的轰击中子的能量较低，区域i 存在于较高的温度区。它们能量的降低是 由于在等离子体中碰撞次数与工作气压成正比。区域t 是一个过渡区，其特征为致密 的纤维状晶粒结构，其致密度是由于a r 离子和反射中子的轰击作用所致，但是体积 扩散仍然受到限制，这阻碍了这些晶粒的长大。在区域i i ，由于被吸附原子扩散充分， 所以产生明显的晶粒面以及很大的表面粗糙度。当t t i n = 0 5 时，区域i i i 中，体积扩 散促使再结晶，从而生长成很大的等轴晶粒。尽管t h o r n t o n 建立的这个模型用于晶 体金属膜，今年来，很多的研究已经证明了该模型同样适合非晶和晶体非金属膜【2 2 2 3 l 。 另一个影响薄膜结构的参数是基体偏压，m e s s i e r 等用偏压代替工作气压修改了 t h o r n t o ns z m ，如图1 4 所示。通过在基体上施加偏压，可以加速离子向沉积在基体 上的膜层运动。因此而产生的轰击作用抑止了区域i 的形成。增大负偏压或者轰击离 子的能量，从而吸附离子的活动能力增强，使区i 与区t 的边界向更低的等温区移动。 4 圭塑塞望盔堂望主堂垡丝苎 一 当沉积硬质膜时，区t 的结构是比较理想的，因此通常调整基体偏压以生成浚结构。 图1 3 工作气压和基体温度对薄膜结构影响的结构区域模型 2 0 ，2 1j f i g 1 3s t r u c t u r ez o n e m o d e ls h o w i n g t h e i n f l u e n c eo f w o r k i n g g a sp r e s s u r ea n d s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e o n t h e m i c r o s t r u e m r eo f t h ed e p o s i t e d t h i n f