专利名称：一种硬质耐磨保护薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种硬质耐磨保护薄膜及其制备方法，具体地说，涉及一种磁控溅射硬质耐磨保护薄膜及其制备方法。
背景技术：
钛(Ti)基薄膜或铬(Cr)基薄膜是常用的硬质耐磨保护薄膜，其维氏硬度Hv超过20GPa。利用硬质耐磨保护薄膜可改善刀具等部件耐磨损性能，以提高其使用寿命和工作效力。TiN和CrN膜由于具有高熔点、高硬度和良好热传导率等特性已经得到了广泛的应用。应用实践表明，这种薄膜的性能仍然需要改善，以满足迅速发展的工程技术需要。
由于可在较低压力下以高速率沉积，利用磁控溅射制备硬质耐磨薄膜逐步得到人们的重视。在磁控溅射法合成硬质耐磨薄膜过程中，遇到的主要问题是薄膜和钢基体间的结合力差、表面缺陷严重、靶中毒和重复性不好。膜基结合力与用于苛刻工况中工件(刀具和模具等)的使用寿命密切相关。有人在沉积TiN膜前沉积Ti附着层。然而，在这种情况下，TiN膜易于在较大载荷下发生剥离和/或破裂。在光学和微电子领域应用中，由于成膜颗粒污染物可能变为光散射中心或引起电气故障，所以表面缺陷严重的薄膜受到了相当限制。上述问题制约着磁控溅射硬质耐磨薄膜的发展和产业化应用，至今尚未找到行之有效的解决办法。
发明内容本发明需要解决的问题就在于克服磁控溅射法合成硬质耐磨薄膜过程中薄膜和钢基体间的结合力差、表面缺陷严重、靶中毒和重复性不好的缺陷，提供一种硬质耐磨保护薄膜及其制备方法。它以非平衡磁控溅射法制备硬质耐磨薄膜，合成的薄膜具有高硬度(20GPa)的同时，具有良好膜基间结合力(＞40N的临界载荷)和很少的表面缺陷(每mm2表面缺陷数小于60个)。它可作为高质量耐磨部件保护涂层而广泛用于机械加工行业的刀具和模具、机械制造行业的精密部件、微电子行业和装饰行业等。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案本发明一种硬质耐磨薄膜制品，包括基体和在基体表面气相沉积的薄膜，所述薄膜为至少两层的多层结构的Ti基薄膜或Cr基薄膜，Ti基薄膜结构为沿基体表面垂直方向自里向外依次为Ti层、TiN层、Ti层、TiN层依次交错，最外层为TiN层；Cr基薄膜结构为沿基体表面垂直方向自里向外依次为Cr层、CrN层、Cr层、CrN层依次交错，最外层为CrN层。
本方面所述薄膜可以为Ti基薄膜，沿基体表面垂直方向自里向外的第一层薄膜层为Ti附着层，其厚度为0.05～0.40μm。所述TiN层厚度为0.3～1.20μm。TiN层和TiN层之间的Ti层为Ti间隔层，其厚度为0.05～0.40μm。
优选地，本发明所述薄膜沿基体表面垂直方向自里向外依次为Ti附着层、TiN层、Ti间隔层、TiN层依次交错的四层结构，最外层为TiN层。
本方面所述薄膜可以为Cr基薄膜，沿基体表面垂直方向自里向外的第一层薄膜层为Cr附着层，其厚度为0.05～0.40μm。所述CrN层厚度为0.3～1.20μm。CrN层和CrN层之间的Cr层为Cr间隔层，其厚度为0.05～0.40μm。
优选地，本方面所述薄膜沿基体表面垂直方向自里向外依次为Cr附着层、CrN层、Cr间隔层、CrN层依次交错的四层结构，最外层为CrN层。
本发明所述薄膜的硬度大于20GPa，其膜基间结合力的临界载荷大于40N，其每mm2的缺陷数小于60个。
本发明同时提供了一种所述硬质耐磨薄膜制品的制备方法，它是利用磁控溅射方法进行镀膜的，在真空室中心布置有可旋转的待镀膜基体，基体周围布置磁控靶和离子源，所述磁控靶为2～5对非平衡磁控Ti或Cr对靶，靶电流为中频电源的恒定电流或恒定功率；利用单级脉冲DC电源控制在待镀基体上施加基体脉冲负偏压；沉积Ti或Cr附着层和间隔层期间仅通入氩气，沉积TiN或CrN层期间通入氩气和氮气，氩气通过磁控靶直接加入；氮气通过离子源孔面向工件喷出。
本发明方法中在沉积TiN层或CrN层期间，Ar+N2压力不超过0.34Pa。
本发明方法中基体脉冲负偏压为-300V至-160V基体脉冲负偏压以梯度过渡方式递减。
本发明方法中靶电流为16-20A。
在磁控溅射系统中，利用电场E(矢量)和磁场B(矢量)约束磁控靶阴极表面附近的电子运动轨迹。如果电场强度恒定，在垂直于磁场速度分量作用下，电子沿磁力线作螺旋线运动，运动方向受到磁场约束。螺旋运动频率和旋转半径取决于磁场强度大小。在电场和磁场共同作用下，电子交互作用取决于电磁场(E×B)强度和方向。当磁场方向平行于靶面，电场垂直于靶面时，离开靶面的电子将沿磁力线以螺旋线形式加速运动。同时会引起电子以垂直于E×B平面(E×B漂移)方向运动。磁控靶通常以上述方法布置电磁场，垂直于磁场方向的电子构成封闭通道，在靶面上形成“环流”，即靶面等离子体辉光区。环流强度可以是外部电路电流测量值的数倍，从而将形成的等离子体限制在靶面附近。另外，在磁控模式中，由于离化率提高，辉光放电可在较低压力(通常1.0-1Pa)和较低电压(通常-500V)条件下稳定工作；而在非磁控溅射中，辉光放电在压力(通常1.00Pa)和电压(-2至-3kV)条件下才能稳定工作。
平衡磁控溅射就是将等离子体通过靶磁场约束在靶表面附近，使局部的溅射效果增强，而基体表面几乎没有受到成膜等离子体的影响，因此基体仅仅受到轻微的离子轰击。非平衡磁控溅射就是通过改变靶磁场分布使原来局限在靶表面的磁力线延伸至包括待沉积基体在内的范围，这样的话，当溅射粒子在基体表面沉积的同时，存在一定能量和数量的离子轰击基体。
本发明采用磁控溅射镀膜系统，磁控靶调整为非平衡状态，最好是利用20-250kHz中频电源以恒流或恒功率模式控制磁控对靶操作；利用多对磁控对靶提高溅射成膜速率；利用单级脉冲DC电源控制基体负偏压和基体偏流；氩气通过磁控靶直接加入以增强溅射效力；氮气通过离子源孔面向基体喷出，得到高离化率氮离子；利用可编程控制器(PLC)控制各工序参数以提高工艺控制的可靠性。
本发明为在保持薄膜硬度和耐磨性的同时改善薄膜结合力，通过周期性调节N2流量和改变Ti或Cr层沉积时间，合成了不同具有多层结构Ti-TiN-Ti-TiN-......的Ti基膜或Cr-CrN-Cr-CrN-......的Cr基膜。沿基体表面垂直方向，合成膜显示出致密生长结构。镀膜过程中，沉积Ti或Cr附着层和间隔层期间仅通入氩气，通过控制附着层和间隔层的厚度改善膜基间结合力；沉积TiN或CrN层期间通入氩气和氮气，Ar+N2压力不超过0.34Pa，以减轻靶中毒。以梯度过渡方式施加脉冲基体负偏压，增强薄膜结合力和致密度。
在溅射辉光放电过程中，由于起弧在基体上形成表面缺陷是影响薄膜性能的重要因素。表面缺陷不但对薄膜粗糙度有影响，而且对薄膜颜色和光泽度有影响。严重颗粒污染可以使Ti基膜颜色从明亮的金黄色变为无光，或使Cr基膜颜色从明亮的银色变为无光，采用脉冲中频对靶磁控溅射后，表面缺陷粒径和密度都得到明显降低。然而，尺度范围为几微米的液滴和坑在薄膜表面依然不规则地存在。在光学显微镜观测区域中，表面缺陷粒径范围为0.1μm至10μm，其颜色为灰色或褐色。
本发明以高靶流在金属模式(小于0.34Pa的Ar+N2压力)下沉积薄膜，可使起弧频率降低，缺陷密度减少。提高基体负偏压可以增加活性粒子的强度，采用适宜范围的负偏压亦可降低表面缺陷密度。
采用带有能谱的扫描电子显微镜(EDS-SEM)分析薄膜表面形貌和组成。采用俄歇电子谱仪(AES)分析硅片上薄膜元素成分的深度剖面。采用硬度计和划痕仪测量薄膜硬度和结合力。采用光干涉显微镜测量薄膜厚度。采用光学显微镜初步观察薄膜表面缺陷，选择数个适宜的放大倍数，在光学显微镜下观测相应观测面积上的薄膜形貌，记录表面缺陷情况，本发明的效果是显而易见的实验结果表明，利用本发明的磁控溅射可实现合成同时具有高硬度(20GPa)、良好膜基间结合力(＞40N(临界载荷))和很少的表面缺陷的高质量Ti基和Cr基耐磨保护薄膜。
图1为SP1111镀膜机的真空室横截面示意图。
其中1——抽真空系统； 2——真空室；3——工件架； 4——离子源；5——磁控靶；箭头A——N2气加入方向；箭头B—Ar气加入方向。
图2为Ti基膜俄歇深度剖面。
图3为靶电流对Ti基膜缺陷密度影响的SEM照片。
图4为只有少数表面缺陷Ti基膜的SEM照片。
具体实施方式
实施例1 Ti基膜的制备1)镀膜设备如图1所示，在SP1111镀膜机(北京实力源科技有限公司制造)真空室中放置了四对磁控溅射Ti靶。利用四台40kHz中频双极脉冲电源分别控制每对磁控溅射靶操作。采用恒流模式，即靶电流设置为恒定值，如可将靶电流分别设置为12A、16A和20A。利用单级脉冲DC电源控制基体负偏压，在Ar离子清洗和Ti离子刻蚀期间，占位电压和空位电压间的时间比即占空比分别为50％和15％，在沉积期间占空比从40％逐步增加至75％。八个钛靶规格均为915×84×8mm3、纯度为99.9％。氮气通过离子源孔面向基体喷出，得到高离子化率氮离子。氩气通过磁控靶直接加入，以增强溅射效力。
2)薄膜制备基材采用9CrA14V不锈钢和Si(100)片，硅片用于俄歇测试，不锈钢基材用于其它测试。将基材装入丙酮容器中超声波清洗20min，接着以干燥氮气吹干，置于真空室中待沉积。以分子泵抽至5.0×10-3Pa后，将真空室温度升高至250℃。在-400V偏压和3.0Pa压力条件下，利用Ar离子轰击30min，进一步清洗基材表面。利用PLC(可编程控制器)设置工艺参数。在0.3Pa氩气气氛中，启动Ti靶，周期地沉积Ti间隔层和TiN层。如在-240V偏压下沉积5min Ti附着层；接着通入氮气沉积30min TiN层。其中，基体负偏压以每序-20V逐步递减，占空比以每序5％逐步增加；分别在-140～0、-240～-100、-300～-160和-400～-260V的不同范围内调节基体负偏压。沉积TiN层时，N2流量以20-60-20sccm周期加入。周期性地调节N2流量和改变Ti间隔层沉积时间，如分别设置为0、5、10、15和20min，得到不同厚度的Ti间隔层；选择沉积5min得到的厚度为0.12μm的Ti间隔层。
3)薄膜表面分析采用带有能谱的扫描电子显微镜(EDS-SEM)分析薄膜表面形貌和组成。采用俄歇电子谱仪(AES)分析硅片上薄膜元素成分的深度剖面。采用硬度计和划痕仪测量薄膜硬度和结合力。采用光干涉显微镜测量Ti基膜厚度。采用光学显微镜初步观察薄膜表面缺陷，放大倍数选择160倍和640倍，两个相应观测面积分别为450μm×600μm和113μm×150μm。在光学显微镜下观测薄膜形貌，记录表面缺陷情况，缺陷密度和尺寸偏差为5％。
图2显示出典型Ti基多层膜的俄歇深度剖面。沿基体表面垂直方向，合成膜显示出致密生长结构，其结构组成为Ti附着层、TiN层、Ti间隔层、TiN层。
4)Ti间隔层对Ti基膜硬度和结合力的影响Ti间隔层厚度对Ti基膜硬度和结合力有一定影响，以结构为基体-Ti附着层(0.17μm)-TiN-Ti间隔层(x，μm)-TiN的四层Ti基膜为例，其中x为Ti间隔层厚度。不带有Ti间隔层TiN膜的显微硬度为Hv＝24.5GPa；当x从0.12μm升至0.48μm时，Ti基多层膜硬度Hv从23GPa降至18.5GPa。在不同厚度Ti间隔层作用下，膜基间结合力(临界载荷Lc)从25N升至52N。在有Ti附着层和间隔层的情况下，在基体和TiN层之间或在两个TiN层之间的Ti层具有良好结合力，可以减缓在TiN层残余应力或在界面剪切应力。然而，当Ti间隔层厚度增加至高值如x＝0.48μm时，由于薄膜具有较低显微硬度18.5GPa，Lc降至32N。因此x为0.05～0.40μm最佳。
5)靶电流对表面缺陷的影响将靶电流设置成为不同恒定值，如12、16和20A，考察靶电流对表面缺陷的影响。在使用脉冲电源的情况下，表面缺陷的尺寸和密度取决于从起弧至灭弧的能量大小；靶电压异常降低显示可能存在靶中毒，颗粒易于从靶面飞溅到薄膜靶面。图3是在16A靶流下合成1.2μm厚Ti基膜的SEM照片；缺陷密度为每mm2有396个缺陷，包括220个液滴和176个坑。其中大的液滴和坑可能是由于双极弧引起的，小的表面缺陷可能是由微弧引起的。光学显微镜观测结果显示，随着靶流从12A升至16和20A，每mm2的缺陷数平均值从250降至180和55。在低工作压力条件下，靶在金属模式下工作。强烈靶中毒能够引起氮分压升高。在化合物模式下，起弧频率高，导致缺陷密度高。以高靶流在金属模式下沉积薄膜，起弧频率降低，缺陷密度减少。因此本发明靶电流为16-20A。
6)脉冲基体负偏压对表面缺陷的影响随着负偏压范围从-140至-0V变成-300至-160V，每mm2的缺陷数的平均值从175降至52，这是基体负偏压作用下高能离子轰击的结果。在基体上施加负偏压，围绕离子源和工件架的辉光放电能够增强氮气的离化率和反应能力。可以认为，大部分氮和钛原子在基体表面、等离子体区域和靶面反应。通过提高基体负偏压可以增加活性粒子的密度。尽管在-400至-260V负偏压范围条件下可以使每mm2的缺陷数降至少于60个，缺点在于能够引起“边缘效应”，即一种薄膜中间区域和边缘存在可见颜色光亮度差异的质量缺陷。因此本发明采用脉冲基体负偏压为-300V至-160V。
7)薄膜性能改善上述薄膜临界载荷Lc升至50N，每mm2的缺陷数降至少于60个，其SEM照片示于图4。
实施例2 Cr基膜的制备制备Cr基膜，只需将实施例1中的Ti靶材替换为以上规格和纯度的铬Cr靶即可，制备成含有Cr附着层、CrN层、Cr间隔层、CrN层的多层结构。其薄膜性能和Ti基膜性能类似。
权利要求
1.一种硬质耐磨薄膜制品，包括基体和在基体表面气相沉积的薄膜，其特征在于所述薄膜为至少两层的多层结构的Ti基薄膜或Cr基薄膜，Ti基薄膜结构为沿基体表面垂直方向自里向外依次为Ti层、TiN层、Ti层、TiN层依次交错，最外层为TiN层；Cr基薄膜结构为沿基体表面垂直方向自里向外依次为Cr层、CrN层、Cr层、CrN层依次交错，最外层为CrN层。
2.如权利要求1所述的硬质耐磨薄膜制品，其特征在于所述薄膜为Ti基薄膜，沿基体表面垂直方向自里向外的第一层薄膜层为Ti附着层，其厚度为0.05～0.40μm。
3.如权利要求2所述的硬质耐磨薄膜制品，其特征在于所述TiN层厚度为0.3～1.20μm。
4.如权利要求3所述的硬质耐磨薄膜制品，其特征在于TiN层和TiN层之间的Ti层为Ti间隔层，其厚度为0.05～0.40μm。
5.如权利要求4所述的硬质耐磨薄膜制品，其特征在于所述薄膜沿基体表面垂直方向自里向外依次为Ti附着层、TiN层、Ti间隔层、TiN层依次交错的四层结构，最外层为TiN层。
6.如权利要求1所述的硬质耐磨薄膜制品，其特征在于所述薄膜为Cr基薄膜，沿基体表面垂直方向自里向外的第一层薄膜层为Cr附着层，其厚度为0.05～0.40μm。
7.如权利要求6所述的硬质耐磨薄膜制品，其特征在于所述CrN层厚度为0.3～1.20μm。
8.如权利要求7所述的硬质耐磨薄膜制品，其特征在于CrN层和CrN层之间的Cr层为Cr间隔层，其厚度为0.05～0.40μm。
9.如权利要求8所述的硬质耐磨薄膜制品，其特征在于所述薄膜沿基体表面垂直方向自里向外依次为Cr附着层、CrN层、Cr间隔层、CrN层依次交错的四层结构，最外层为CrN层。
10.如权利要求1-9之任一所述的硬质耐磨薄膜制品，其特征在于所述薄膜的硬度大于20GPa，其膜基间结合力的临界载荷大于40N，其每mm2的缺陷数小于60个。
11.一种制备如权利要求1-10之任一所述的硬质耐磨薄膜制品的方法，它是利用磁控溅射方法进行镀膜的，在真空室工件架上布置有可旋转的待镀膜基体，基体周围布置磁控靶和离子源，其特征在于所述磁控靶为2～5对非平衡磁控Ti或Cr对靶，靶电流为中频电源的恒定电流或恒定功率；利用单级脉冲DC电源控制在待镀基体上施加基体脉冲负偏压；沉积Ti或Cr附着层和间隔层期间仅通入氩气，沉积TiN或CrN层期间通入氩气和氮气，氩气通过磁控靶直接加入；氮气通过离子源孔面向基体喷出。
12.如权利要求7所述的制备硬质耐磨薄膜制品的方法，其特征在于在沉积TiN层或CrN层期间，Ar+N2压力不超过0.34Pa。
13.如权利要求7所述的制备硬质耐磨薄膜制品的方法，其特征在于基体脉冲负偏压为-300V至-160V，基体脉冲负偏压以梯度过渡方式递减。
14.如权利要求7-9之任一所述的制备硬质耐磨薄膜制品的方法，其特征在于靶电流为16-20A。
全文摘要
本发明公开了一种硬质耐磨薄膜制品，包括基体和薄膜，所述薄膜为至少两层的多层结构的Ti基薄膜或Cr基薄膜，Ti基薄膜为Ti层、TiN层、Ti层、TiN层依次交错构成，Cr基薄膜为Cr层、CrN层、Cr层、CrN层依次交错构成。它是利用磁控溅射方法成膜的，磁控靶为2～5对非平衡磁控Ti或Cr对靶，靶电流为中频电源的恒定电流；在待镀基体上施加脉冲基体负偏压；沉积Ti或Cr附着层和间隔层期间仅通入氩气，沉积TiN或CrN层期间通入氩气和氮气，它具有高硬度、良好膜基间结合力和很少的表面缺陷，可作为高质量耐磨部件保护涂层而广泛用于机械加工行业的刀具和模具、机械制造行业的精密部件、微电子行业和装饰行业等。
文档编号C23C14/35GK1740394SQ200510104988
公开日2006年3月1日 申请日期2005年9月26日 优先权日2005年9月26日
发明者于翔, 刘阳, 于德洋, 王成彪 申请人:中国地质大学(北京), 北京实力源科技开发有限责任公司