CN102146556A

CN102146556A - 一种利用直流磁控溅射制备彩色TiN薄膜的方法

Info

Publication number: CN102146556A
Application number: CN 201110102624
Authority: CN
Inventors: 黄美东; 侯兴刚; 李德军
Original assignee: Tianjin Normal University
Current assignee: Tianjin Normal University
Priority date: 2011-04-25
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2011-08-10

Abstract

本发明提供一种利用直流磁控溅射技术制备TiN薄膜的方法，包括（1）采用基体材料为高速钢，分别用由粗到细的砂纸打磨，然后抛光，直至表面呈现镜面；（2）将处理后的基体材料浸入乙醇溶液中超声激励10-20分钟，再用丙酮溶液浸浴，用吹风机烘干；（3）然后将基体材料固定在真空沉积室的试样架上进行镀膜，镀膜前背底真空抽至3×10^-3Pa，并对表面进行离子轰击清洗3-5min；（4）在不同氮气流量（沉积气压）下镀制不同的TiN薄膜样品。结果表明，氮气流量即沉积气压对装饰镀TiN薄膜的颜色有重要影响，通过调节氮气流量，可有效改变TiN膜层的色泽。本发明的方法可以通过改变氮气流量来获得生产实际中所需要的膜层色泽。

Description

一种利用直流磁控溅射制备彩色TiN薄膜的方法

关于资助研究或开发的声明：本发明受天津师范大学学术推进计划项目（52X09038）和教育部留学回国科研启动基金项目资助。

技术领域

本发明属于物理气相沉积表面装饰镀膜处理技术领域。涉及彩色TiN薄膜及其制备方法。更具体地说是一种利用直流磁控溅射技术制备彩色TiN薄膜的方法。

背景技术

TiN硬质薄膜的出现，成倍地提高了刀具的切削寿命，获得很好的加工精度和效率，在机械加工行业获得了广泛的应用^[1-5]。事实上，TiN镀层在装饰镀行业也有着广阔的应用前景，占据着重要的地位，这是因为TiN不仅具有较好的耐磨性和耐蚀性，而且通常为金黄色，是理想的仿金装饰膜。目前通常采用电弧离子镀膜方式将TiN镀制在金属基体上作仿金装饰，已有部分镀膜工艺参数对镀层颜色的影响方面的报导^［6－8］。但电弧离子镀膜过程中由于高温电弧对靶材燃烧时通常喷溅出液滴而在镀层表面形成大颗粒污染，在一定程度上影响色泽和表面光洁度，此外，镀膜时基体温度较高，限制了TiN薄膜用于装饰镀的应用范围。

磁控溅射是新兴的一种PVD镀膜方法，与电弧镀相比，该方法沉积温度低，得到的薄膜表面光滑，很适合于装饰镀膜。然而，用磁控溅射方法将TiN膜应用到装饰行业的研究还鲜见报导。另一方面，目前装饰TiN大都只是用于仿金镀，是因为镀层颜色接近于金黄色，但将TiN镀制成其它颜色的系统研究尚未见报导。

发明内容

为了满足日益增强的彩色装饰镀膜的市场需求，本发明考察了氮气流量对反应磁控溅射TiN膜层色泽的影响，旨在仅通过改变工艺参数之一即氮气流量来获得生产实际中所需要的膜层色泽。

为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

一种利用直流磁控溅射技术制备彩色TiN薄膜的方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）采用经抛光、表面光滑的高速钢或不锈钢作基体（镀膜对象）；

（2）将基体浸入95％的乙醇溶液中超声激励10-20分钟，再用丙酮溶液浸浴，用吹风机烘干；

（3）然后将基体固定在真空沉积室的试样架上进行镀膜，镀膜前背底真空抽至3×10^-3Pa，并对表面进行离子轰击清洗3-5min；基体与溅射靶之间的距离为150 mm，不加偏压。

（4）镀膜时保持溅射功率为200 W，在不同氮气流量（沉积气压）下以镀制不同颜色的TiN薄膜样品，所使用的氮气流量通过流量计控制，分别为0.59，0.84，1.99，2.21，2.37 sccm，对应的沉积气压分别为0.11，0.16，0.36，0.39，0.42 Pa。沉积时间均为20 min。工作气压分别在0.11 - 0.42 Pa之间。

（5）通过SHIMADZU SSX-550型扫描电子显微镜（SEM）对样品的表面形貌进行观测；利用WGS-9型色度计测定薄膜表面的色度。

本发明更加详细的制备方法如下

1、实验方法

在国产SA-6T型离子镀膜机上利用直流磁控溅射方法制备薄膜试样。试样尺寸15mm×10mm×10mm，基体材料为高速钢或不锈钢，分别用由粗到细的砂纸打磨，然后抛光，直至表面呈现镜面。将样品浸入酒精溶液中超声激励二十分钟，再用丙酮溶液浸浴，用吹风机烘干。然后将基体试样固定在真空沉积室的试样架上进行镀膜。镀膜前背底真空抽至3×10^-3Pa，并对表面进行离子轰击清洗3-5 min。

在不同氮气流量（沉积气压）下镀制了不同的TiN薄膜样品，镀膜过程中，其余参数基本不变。镀膜工艺参数见表1。

表1 工艺参数

样品编号 N2 流量沉积气压溅射功率偏压沉积时间
	1 0.59sccm 0.11Pa 400W 0V 20min
2 0.84sccm 0.16Pa 400W 0V 20min
	3 1.99sccm 0.36Pa 400W 0V 20min
4 2.21sccm 0.39Pa 400W 0V 20min
	5 2.37sccm 0.42Pa 400W 0V 20min

通过SHIMADZU SSX-550型扫描电子显微镜（SEM）对样品的表面形貌进行了观测。利用WGS-9型色度计测定了薄膜表面的色度，该系统采用国际照明委员会（CIE）规定的标准色度系统来测定物体的色度。在理论上采用平面直角色度坐标x=X/X+Y+Z，y=Y/X+Y+Z和z=Z/X+Y+Z来定量表示颜色，其中X,Y,Z为三刺激值。测出的x,y,z值后，查CIE1931色度坐标图即可直观判断被测薄膜的颜色。

结果与讨论

2.1表面形貌

各个薄膜样品通过扫描电子显微镜在1000倍放大倍数下观察到的表面形貌。可以看出溅射沉积的TiN薄膜表面质量良好，平整、致密、无明显的孔洞存在，也没有电弧离子镀薄膜表面的大颗粒污染^[9,10]。这种光洁的表面具有良好的反光性能，对于其色泽的均匀性是非常有益的。

颜色

在不同氮气流量条件下获得的TiN薄膜的颜色有明显差异。这是因为氮气是反应气体，在镀膜过程中氮气流量变化时，参与成膜的N原子和Ti原子的组份发生改变， TiN膜层的组织和颜色也都随之变化^[7－11]。当氮气流量很小时，N₂和Ti反应不充分，主要生成相，样品颜色为银白色，随着氮气流量的增加，N₂和Ti反应充分，具有浅黄色的相和深黄色的相^［7］的比例逐渐增多，薄膜表面颜色也逐渐变为金黄色。当氮气过量时，颜色为蓝色和紫色。利用色度计对不同氮气流量时样品的测试结果见表2。可以看出，随着氮气流量的增加（沉积气压增大），所获得的TiN薄膜的颜色由浅变深。可见，只要调节和控制气气流量（或沉积气压），就可以获得所需要的薄膜颜色，这一技术可以广泛应用于彩色装饰镀膜。

表2 色度仪测试结果

试样编号氮气流量色度坐标颜色
	1 0.59sccm x=0.4497，y=0.4115，z=0.1387 银灰
2 0.84sccm x=0.4848，y=0.4577，z=0.0575 金黄
	3 1.99sccm x=0.4366，y=0.4204，z=0.1430 浅蓝
4 2.21sccm x=0.4569，y=0.4571，z=0.0861 深蓝
	5 2.37sccm x=0.4825，y=0.4059，z=0.1116 紫红

在国产SA-6T型离子镀设备上，通过改变氮气流量（或沉积气压），利用直流磁控溅射方法可制备出不同颜色的TiN薄膜。要想获得某一种或多种颜色的装饰镀层，只需要调节氮气流量这一工艺参数，简单可行，有望广泛应用于彩色装饰镀膜行业。

本发明利用直流磁控溅射制备彩色装饰镀膜方法与现有的技术相比所具有的积极效果在于：

（1）本技术利用磁控溅射沉积温度低的特点，可在熔点较低的材料甚至塑料上镀制彩色装饰膜层。

（2）磁控溅射镀制的薄膜表面无常用电弧离子镀膜时在表面产生的大颗粒污染，表面光洁度更高。

（3）通过调节氮气流量这一工艺参数，简单可行，有望广泛应用于彩色装饰镀膜行业。

具体实施方式：

为了简单和清楚的目的，下文恰当的省略了公知技术的描述，以免那些不必要的细节影响对本技术方案的描述。以下结合实例对本发明做进一步的说明。

实施例1

使用设备：SA-6T型真空离子镀膜机

实验前的准备工作：将表面光滑的高速钢或不锈钢基体浸入95％的乙醇溶液中超声激励10分钟，再用丙酮溶液浸浴，用吹风机烘干，然后将其固定在真空沉积室的试样架上。

镀膜工艺参数：

本底真空度：3×10^-3 Pa，溅射离子源工艺参数：溅射电压200 V, 溅射束流2 A溅射能量400 W。

其它工艺参数：加速电压为0，辅助能量0,辅助束流0；基底不加热温度。

沉积过程中溅射气体选用氮气，通过流量控制器保持其流量分别为0.59，0.84，1.99，2.21，2.37 sccm （标准立方厘米每分钟），相应的工作气压分别为0.11，0.16，0.36，0.39，0.42 Pa。通过SHIMADZU SSX-550型扫描电子显微镜（SEM）对样品的表面形貌进行观测；利用WGS-9型色度计测定薄膜表面的色度。

实施例2

使用设备：SA-6T型真空离子镀膜机

实验前的准备工作：将表面光滑的高速钢或不锈钢基体浸入95％的乙醇溶液中超声激励20分钟，再用丙酮溶液浸浴，用吹风机烘干，然后将其固定在真空沉积室的试样架上。

镀膜工艺参数：

本底真空度：3×10^-3 Pa，溅射离子源工艺参数：溅射电压200 V，溅射束流2 A溅射能量400 W。

沉积过程中溅射气体选用氮气，通过流量控制器保持其流量分别为0.59，0.84，1.99，2.21，2.37 sccm （标准立方厘米每分钟）；工作气压分别在 0.42 Pa。通过SHIMADZU SSX-550型扫描电子显微镜（SEM）对样品的表面形貌进行观测；利用WGS-9型色度计测定薄膜表面的色度。

实施例3

（1）采用经抛光、表面光滑的高速钢或不锈钢作基体镀膜；

（2）将需要镀膜的基体浸入95％的乙醇溶液中超声激励15分钟，再用丙酮溶液浸浴，用吹风机烘干；

（3）然后将需要镀膜的基体固定在真空沉积室的试样架上进行镀膜，镀膜前背底真空抽至3×10^-3Pa，并对表面进行离子轰击清洗3min；基体与溅射靶之间的距离为150 mm，不加偏压；

（4）基体镀膜时保持溅射功率为200 W，在不同氮气流量、不同沉积气压下以镀制不同颜色的TiN薄膜样品；其中所使用的氮气流量通过流量计控制，分别为0.59，0.84，1.99，2.21，2.37 sccm，对应的沉积气压分别为0.11，0.16，0.36，0.39，0.42 Pa；沉积时间均为20 min；工作气压分别在0.25Pa。

参考文献

[1] A. E. Yousif, S. M. Nacy. The lubrication of conical journal bearings with bi-phase (liquid-solid) lubricants [J]. Wear, 1994, 172 (1): 23-28.

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[9] 胡敏，刘莹，赖珍荃，刘倩，朱秀榕. 磁控溅射TiN薄膜的工艺及电学性能研究[J].功能材料，2009，40（2）：222-225.

[10] 胡敏，刘莹，赖珍荃，刘倩. 磁控溅射制备TiN薄膜影响因素的研究[J].功能材料，2009，40（9）：1465-1467.

[11] 刘尔嘉. HCD离子镀TiN涂层组织结构和性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨大学，1985，86-87。

Claims

1.一种利用直流磁控溅射制备彩色TiN薄膜的方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）采用经抛光、表面光滑的高速钢或不锈钢作基体镀膜；

（2）将需要镀膜的基体浸入95％的乙醇溶液中超声激励10-20分钟，再用丙酮溶液浸浴，用吹风机烘干；

（3）然后将需要镀膜的基体固定在真空沉积室的试样架上进行镀膜，镀膜前背底真空抽至3×10^-3Pa，并对表面进行离子轰击清洗3-5min；基体与溅射靶之间的距离为150 mm，不加偏压；

（4）基体镀膜时保持溅射功率为200 W，在不同氮气流量、不同沉积气压下以镀制不同颜色的TiN薄膜样品；其中所使用的氮气流量通过流量计控制，分别为0.59，0.84，1.99，2.21，2.37 sccm，对应的沉积气压分别为0.11，0.16，0.36，0.39，0.42 Pa；沉积时间均为20 min；工作气压分别在0.11 - 0.42 Pa之间；