在现代机械加工中, 材料的加工难度越来越大。涂层刀具的出现是切削刀具的一次革命, 其中切削工具的表面涂层扮演着重要角色, 由于涂层既可以减少过去使用润滑剂造成的对环境的污染, 同时涂层硬度较大, 可以延长工具的使用寿命。硬质纳米多层膜具有较高的硬度和较低的摩擦系数, 所以用硬质纳米多层膜作为工具涂层可以更好地发挥薄膜的作用。

TiN具有硬度高、耐化学腐蚀能力以及较高的热稳定性, 并且色泽艳丽, 早已成为重要的涂层材料。但随着科技的进步, 单一TiN涂层已不能满足工业需求。而由TiN和其他组分组成的复合膜及多层膜由于存在超硬现象而得到迅速的发展。Veprek等[1]报道了Ti-Si-N纳米复合膜的硬度达到了80GPa～105 GPa, 这一硬度已经超过天然金刚石的硬度 (70 GPa～90 GPa) 。Xu等人[2]制备了TiN/Si3N4纳米多层膜, 并认为在多层膜中存在的交变热应力场是多层膜致硬的根源。Hu等人[3]及Söderberg等人[4]发现在TiN/SiNx多层膜中, 当SiNx层的厚度小于某一临界值时, 原来为非晶态的SiNx层由于TiN层的“模板效应”而结晶, 而此时薄膜的硬度也达到最大。

从上述研究结果可知, 薄膜的微观结构决定其力学性能, 而沉积温度是影响纳米多层膜物相结构、界面结构、沉积速率以及表面形貌的重要实验参数[5]。本文选取TiN/SiNx纳米多层膜作为研究对象, 研究沉积温度对多层膜微观结构及力学性能的影响。

TiN/SiNx纳米多层膜的制备是在JGP450A型多靶磁控溅射设备上进行的。溅射靶采用Ti靶和Si靶 (纯度均为99.99%) , 分别放在直流和射频阴极靶位上。衬底采用Si (111) 单晶片, 并先后在丙酮、酒精和去离子水中分别超声清洗10min, 然后吹干, 安装在真空室内样品架上。待真空室背景压强达到2.0×10-4 Pa后, 向真空室分别通入Ar气和N2气 (纯度均为99.999%) 。Ar气流量固定在30.0sccm, N2气流量固定在10sccm。溅射过程中Ti靶及Si靶的功率分别为108W和200W。通过程序设定样品在Ti靶及Si靶前停留时间分别为130秒和26秒。多层膜的周期数为40。溅射时衬底偏压固定在-80V, 沉积温度分别选取室温 (RT) 、100℃、200℃、300℃和400℃。在上述试验条件下制备了5个多层膜样品。

多层膜的物相结构用Bruker公司的D8tools来表征, 采用Cu靶Kα射线源, 万特计数器。多层膜的周期性结构同样采用D8tools来表征, 采用薄膜样品台和闪烁计数器。用MTS公司的Nanoindenter XP纳米压痕仪来表征多层膜的力学性能, 用连续刚度法 (CSM) 来获得薄膜的硬度和弹性模量, 每个样品测量10个点后取平均值。

沉积温度对纳米多层膜的影响主要体现在改变入射粒子的表面迁移能力、促使薄膜内部残余应力释放、促进晶粒长大以及降低缺陷密度等方面。另外, 沉积温度的升高对多层膜界面粗糙度的降低、特殊相的形成等也有非常重要的影响。

图1为不同沉积温度条件下获得的TiN/SiNx纳米多层膜的XRR图谱。从图1中可以看出, 当沉积温度高于室温时, 多层膜的周期性结构较室温条件下沉积的多层膜出现衍射峰的数目多, 且强度大。说明通过给衬底加温, 多层膜的层间界面粗糙度降低, 对X光的反射能力增强, 但当沉积温度在100℃到400℃之间变化时, 多层膜出现衍射峰的数目没有发生明显变化。说明在这个温度范围内, 沉积温度对多层膜界面粗糙度的降低所起的作用变化不大。多层膜的界面粗糙度随沉积温度的升高而得到优化主要归因于入射粒子迁移能力的提高。但沉积温度上升到某临界值时, 粒子的迁移能力也达到了饱和值, 这样如果继续升高沉积温度, 多层膜的界面粗糙度不再发生变化, 周期性结构也不再发生变化。所以, 沉积温度在100℃到400℃之间时, 多层膜界面结构没有明显变化。从图1还可看出, 所有多层膜第一级衍射峰的位置、相邻衍射峰之间的间距也没有明显变化, 说明沉积温度对多层膜的调制周期影响不大。在室温条件下制备的多层膜界面宽度最大, 在沉积温度高于室温时界面宽度变小, 但当沉积温度在100℃到400℃之间变化时, 多层膜的界面宽度变化不大。

图2为不同沉积温度条件下制得的TiN/SiNx多层膜的XRD图谱。在图2中可以看出当沉积温度为室温时, 多层膜的择优取向为TiN (200) 晶面, 同时还可以观察到强度很小的TiN (111) 晶面的衍射峰。但此时图谱中并无SiNx相的衍射峰出现, 说明SiNx为非晶相或厚度太薄。但当沉积温度高于室温时, 多层膜的择优取向变为单一的TiN (200) 晶面, 与此同时, 升温后TiN (200) 晶面的衍射峰强度也较室温时明显增强, 说明沉积温度越高越有利于TiN (200) 织构的形成。

图3为根据TiN (200) 晶面的衍射峰并采用Pseudo-Voigt函数计算出来的、在不同沉积温度条件下制备的多层膜中TiN晶粒的晶粒尺寸和晶格常数。从图3中可以看出, 沉积温度在室温到400℃温度范围内, 多层膜中TiN晶粒的晶粒尺寸变化不大, 均在5.8nm到6.1nm范围内。同时, TiN相的晶格常数为0.427nm左右, 不同样品之间的晶格常数也仅仅存在微小的变化。说明沉积温度在室温到400℃之间变化时, 沉积温度对TiN相的晶粒大小和晶格常数影响不大。

图4为不同沉积温度条件下制备的多层膜的硬度和弹性模量变化曲线。所有多层膜样品的硬度均在30.2GPa到31.8GPa之间变化, 多层膜样品的弹性模量在339.0GPa到354.0GPa之间变化。上述硬度及弹性模量的变化均在各自误差允许的范围内, 说明在我们所选的温度范围内, TiN/SiNx纳米多层膜的硬度和弹性模量受沉积温度的影响不明显。

在不同沉积温度条件下成功制备了一系列多晶TiN/SiNx纳米多层膜, 并用X射线衍射仪 (XRD) 、X射线反射仪 (XRR) 及纳米压痕仪 (Nanoindenter) 表征了材料的微观结构及力学性能。结果表明, 当沉积温度为室温时, 多层膜的界面较高温条件下粗糙;而多层膜的择优取向在沉积温度为400℃时呈现强烈的TiN (200) 织构;多层膜的硬度及弹性模量在室温至400℃温度范围内变化不大。