采用高功率脈沖磁控濺射技術(shù)制備TiN薄膜，通過基架自轉(zhuǎn)與固定的調(diào)節(jié)方式，研究了離子轟擊對所制備TiN薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。采用臺階儀測量薄膜的厚度，采用場發(fā)射掃描電鏡、掃描探針顯微鏡、X射線衍射儀測試薄膜的表面形貌特征以及組織結(jié)構(gòu)，采用納米壓痕儀測試薄膜的硬度以及彈性模量，采用劃痕儀測試膜基結(jié)合力，采用電化學(xué)工作站測量薄膜的耐腐蝕性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在基架固定時，由于薄膜受到持續(xù)的離子轟擊作用，所制備的TiN薄膜具有更致密的結(jié)構(gòu)，更光滑的表面，更好的結(jié)晶性，更優(yōu)異的機(jī)械性能和更良好的耐腐蝕性能。

　　TiN薄膜硬度高、抗磨損性能好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，作為重要的表面改性材料已應(yīng)用于刀具、具、機(jī)械零部件等諸多工業(yè)領(lǐng)域。目前TiN薄膜的制備技術(shù)主要是傳統(tǒng)磁控濺射和電弧離子鍍，但是真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為傳統(tǒng)磁控濺射的金屬離化率低(約1%)，電弧離子鍍雖然離化率高，但大顆粒的產(chǎn)生將極大降低沉積薄膜的性能。近年來興起的高功率脈沖磁控濺射(High PowerIm pulse Magnetron Sputtering，HIPIMS)技術(shù)具有離化率高、無顆粒缺陷的優(yōu)點(diǎn)，為制備高性能TiN薄膜提供了新思路。

　　在TiN薄膜的制備過程中，離子轟擊強(qiáng)度被認(rèn)為對薄膜的結(jié)構(gòu)性能有很大影響，J.Paulitsch等研究了增加離子轟擊對TiN薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，持續(xù)的低能離子轟擊可以顯著提高TiN薄膜的性能，有利于獲得結(jié)構(gòu)致密的TiN薄膜。P.H.Mayrhofer等研究了不同離化率條件下持續(xù)離子轟擊對TiN涂層結(jié)構(gòu)和性能的影響，研究結(jié)果表明高離化率下的持續(xù)離子轟擊可以提高沉積原子在表面的遷移速度，增強(qiáng)濺射離子和原子與氣體的反應(yīng)活性進(jìn)而獲得結(jié)構(gòu)致密性能優(yōu)異的TiN涂層。

　　本文采用HIPIMS技術(shù)制備TiN薄膜，通過調(diào)整基底旋轉(zhuǎn)方式控制基體是否接受離子持續(xù)轟擊，進(jìn)而研究離子轟擊對薄膜結(jié)構(gòu)、表面形貌以及性能產(chǎn)生的影響。

1、實(shí)驗(yàn)

　　1.1、試樣制備

　　采用HIPIMS沉積TiN薄膜，沉積系統(tǒng)見圖1，采用的電源是直流和脈沖電源并聯(lián)疊加的方式，這種供電模式能夠在獲得較高靶材離化率的同時保證薄膜沉積速率，靶材為純度為99.99%的金屬鈦靶(400mm×100mm)，分別選用硅片、玻璃和高速鋼(W2Mo9Cr4VCo8)作為基底材料。鍍膜前將基底放入酒精和丙酮中分別超聲清洗15min，烘干后固定于基架置于濺射靶前，基架可實(shí)現(xiàn)公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，靶基距為16cm，抽真空至腔體真空度小于3×10^-3 Pa開始實(shí)驗(yàn)。首先通入一定量的Ar氣，腔體壓力控制在1.3Pa，向基底施加脈沖負(fù)偏壓-350V，通過Ar離子輝光放電對基底刻蝕30min；然后開啟HIPIMS電源沉積Ti過渡層5min(210nm±20nm)，Ar氣流量50mL/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，工作氣壓0.27Pa，脈沖電壓600V，脈寬200μs，頻率100Hz，復(fù)合直流3.0A，基底脈沖負(fù)偏壓-300V；最后沉積TiN，Ar氣流量50mL/min，N2氣流量10mL/min，腔體壓力為0.3Pa，分別采用固定基架以及基架自轉(zhuǎn)兩種方式沉積TiN薄膜，電源參數(shù)與Ti過渡層參數(shù)同，通過控制沉積時間使兩種工藝下的薄膜總厚度在1000±50nm，以避免厚度對實(shí)結(jié)果的影響；整個沉積過程，基底脈沖電源的頻率為350kHz，占空比為61.4%。

圖1　沉積系統(tǒng)示意圖

　　1.2、性能測試

　　薄膜厚度測試采用美國辛耘科技工程有限公司Alpha　StepIQ臺階儀；薄膜表面和截面的微觀形貌通過日立公司S-4800場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)進(jìn)行觀察；薄膜表面的三形貌以及粗糙度采用美國Veeco公司Dimension3100V掃描探針顯微鏡(SPM)進(jìn)行觀察和測量；薄膜的相組成采用德國布魯克公司D8AdvanceX射線衍射(XRD)儀測試；薄膜的納米硬度以及彈性模量采用美國MTS公司NANOG200納米壓痕儀測試，采用動態(tài)實(shí)時加載卸載模式，壓入深度為500nm，為了減小基底對測量結(jié)果的影響，取壓入深度為薄膜1/10處的4個測點(diǎn)的平均值；薄膜的膜基結(jié)合力采用瑞士CSMRevetest劃痕儀測試，測試過程中最大加載80N，劃痕長度3mm；薄膜的極化曲線在AUTOLABPGSTAT302型電化學(xué)工作站測試，采用三電極系統(tǒng)，其中待測試樣為工作電極，Pt絲為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，電解質(zhì)溶液為3.5%NaCl(質(zhì)量分?jǐn)?shù))溶液，測試面積約為0.25cm2。

3、結(jié)論

　　采用HIPIMS技術(shù)制備TiN薄膜，通過改變鍍膜過程中基架旋轉(zhuǎn)方式研究了離子轟擊對TiN薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。研究結(jié)果表明，在HIPIMS技術(shù)中離子持續(xù)轟擊可以使薄膜的致密性增加，結(jié)晶性增強(qiáng)，表面缺陷減少，粗糙度明顯降低，從而引起TiN薄膜的硬度由17.43±0.53GPa升高到24.82±1.17GPa，彈性模量由263.78±13.73GPa增加到300.13±15.44GPa，結(jié)合力由53N提高到69N，同時耐腐蝕性能也有一定程度的改善。以上結(jié)果說明，在HIPIMS制備TiN薄膜過程中，離子轟擊對TiN薄膜的結(jié)構(gòu)和性能影響很大，在離子持續(xù)轟擊作用下能夠獲得性能優(yōu)異的TiN薄膜。