一种调节薄膜应力的方法和由此制备得到的薄膜与流程

本发明涉及表面处理技术，更具体地说，涉及一种调节薄膜应力的方法和由此制备得到的基体表面镀覆的薄膜。

背景技术：

多弧离子镀和磁控溅射技术被广泛应用于金属表面处理。在普通的多弧离子镀或磁控溅射的工艺中，薄膜的生长，通常会形成柱状晶，柱状晶相互竞争长大，对薄膜残余应力的释放十分不利，所以，在物理气相沉积技术(包括多弧离子度和磁控溅射)中，常常出现薄膜应力过大，导致膜基结合力下降的情况，甚至引起薄膜脱落失效。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种调节薄膜应力的方法和由此制备得到的基体表面镀覆的薄膜，以改善薄膜应力状态。

本发明为解决其技术问题在第一方面提出一种调节薄膜应力的方法，包括如下步骤：

s1、将基体装入真空腔室，通入ar气体，对基体施加负偏压，采用多弧离子镀对基体表面进行轰击；

s2、停止通入ar气体而通入n2气体，对基体施加负偏压，采用多弧离子镀在基体表面沉积薄膜底层；

s3、冷却基体使其温度控制在0～10℃，继续通入n2气体，对基体施加负偏压，采用磁控溅射在基体表面沉积薄膜中间层；

s4、继续通入n2气体，对基体施加负偏压，采用多弧离子镀在基体表面沉积薄膜顶层。

根据本发明的一个实施例中，所述步骤s1中，真空腔室本底真空度为5.0×10^-3pa，通入ar气体升压至0.4pa～0.6pa；基体负偏压为-800v，偏压频率40khz，占空比40％；电弧靶电流为65a，电压为20v；轰击时间为1～2分钟。

根据本发明的一个实施例中，所述步骤s2中，通入n2气体升压至0.8pa；基体负偏压为-100v，偏压频率40khz，占空比40％；电弧靶电流为65a，电压为20v；沉积时间为20分钟。

根据本发明的一个实施例中，所述步骤s3中，继续通入n2气体使气压保持0.8pa；基体负偏压为-100v，偏压频率40khz，占空比40％；磁控靶功率为250w；沉积时间为120分钟。

根据本发明的一个实施例中，所述步骤s4中，继续通入n2气体使气压保持0.8pa；基体负偏压为-100v，偏压频率40khz，占空比40％；电弧靶电流为65a，电压为20v；沉积时间为20分钟。

根据本发明的一个实施例中，所述步骤s1至s4全程都冷却基体使其温度保持在0～10℃。

根据本发明的一个实施例中，所述方法在步骤s1之前还包括对基体表面的前处理工艺。

本发明为解决其技术问题在第二方面提出一种基体表面镀覆的薄膜，采用前述的调节薄膜应力的方法制备得到，包括柱状晶结构的薄膜底层、非晶纳米晶混合结构的薄膜中间层和柱状晶结构的薄膜顶层。

本发明的调节薄膜应力的方法采用多弧离子镀制备柱状晶结构的薄膜底层，采用冷却基体的方式利用磁控溅射制备非晶纳米晶混合结构的薄膜中间层，最后再由多弧离子镀制备柱状晶结构的薄膜顶层，从而得到三层复合结构的薄膜，能够有效地缓解薄膜应力，十分有利于改善薄膜应力状态。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一个实施例的调节薄膜应力的方法的流程图；

图2是本发明一个实施例的基体表面镀覆的薄膜的结构示意图；

图3是本发明一个实施例中的薄膜的晶相结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了缓解过大的薄膜应力，有很多方法被提出来，比如多层膜、梯度涂层、退火处理等。本发明则采用基体冷却的方式，使薄膜层间结构出现非晶纳米晶的混合结构，打断柱状晶的生长，可以十分有利的改善薄膜应力状态。2017年3月24日出版的《science》期刊也报道了，当晶粒尺寸小于10纳米时合金出现软化行为，具体参见：

jhu，ynshi，xsauvage，gsha，klu.grainboundarystabilitygovernshardeningandsofteninginextremelyfinenanograinedmetals.science24mar2017:vol.355,issue6331,pp.1292-1296.

本发明利用此原理，提出一种调节薄膜应力的方法10。如图1所示，该调节薄膜应力的方法10主要包括如下步骤：

步骤s11，将基体装入真空腔室，通入ar气体，对基体施加负偏压，采用多弧离子镀对基体表面进行轰击。

步骤s12，停止通入ar气体而通入n2气体，对基体施加负偏压，采用多弧离子镀在基体表面沉积薄膜底层；

步骤s13，冷却基体使其温度控制在0～10℃，继续通入n2气体，对基体施加负偏压，采用磁控溅射在基体表面沉积薄膜中间层；

步骤s14，继续通入n2气体，对基体施加负偏压，采用多弧离子镀在基体表面沉积薄膜顶层。

本发明提出这种调节薄膜应力的方法的理由是，因为多弧离子镀离化率高，在负偏压电场下，离子对基体表面轰击明显有利于提升膜基结合力，薄膜形成柱状晶(择优取向)生长，由于离子的钉扎作用，薄膜残余压应力逐渐增大；冷却基体使其保持在低温下(0～10℃)，采用磁控溅射技术，磁控溅射的特点是离化率较低，能量较低，不利于到达表面的粒子形核，由于基体温度也很低，无法提供能量，导致柱状晶无法继续生长，而是形成一层纳米晶和非晶的混合层；最后的顶层，采用多弧离子镀，可以使薄膜再次形成柱状晶(择优取向)，产生一定的压应力，适当的压应力存在，不仅有利于阻止表面裂纹的扩展，还可以提升薄膜的硬度，提升耐磨性。

以下将以在基体表面形成tin薄膜为例，详细介绍本发明调节薄膜应力的方法，包括如下步骤：

(1)基体表面的前处理工艺

基体先经过酒精、金属洗涤剂、去离子水超声波清洗5分钟，然后用干燥洁净的压缩空气吹干。

(2)大偏压轰击基体

将基体装入真空腔室，预抽真空腔室本底真空度至5.0×10^-3pa，排出绝大部分杂质气体；然后通入ar气体，升压至0.4pa～0.6pa；对基体施加负偏压，基体负偏压为-800v，偏压频率40khz，占空比40％；采用多弧离子镀对基体表面进行轰击，靶材为ti，电弧靶电流为65a，电压为20v，轰击时间为1～2分钟，以提升膜基结合力。

(3)多弧离子镀沉积薄膜底层

停止通入ar气体而通入n2气体，升压至0.8pa；对基体施加负偏压，基体负偏压为-100v，偏压频率40khz，占空比40％；ti电弧靶电流为65a，电压为20v；沉积时间为20分钟。

(4)磁控溅射沉积薄膜中间层

开启基片冷却装置，冷却基片使其温度控制在0～10℃左右；继续通入n2气体，气压保持0.8pa；对基体施加负偏压，基体负偏压为-100v，偏压频率40khz，占空比40％；磁控溅射的磁控靶靶材为ti，靶功率为250w；沉积时间为120分钟。

(5)多弧离子镀沉积薄膜顶层

继续通入n2气体，气压保持0.8pa；对基体施加负偏压，基体负偏压为-100v，偏压频率40khz，占空比40％；多弧离子镀的ti电弧靶电流为65a，电压为20v；沉积时间为20分钟。

本发明通过上述调节薄膜应力的方法在基体21的表面制备得到的薄膜的结构如图2所示，包括柱状晶结构的薄膜底层22、非晶纳米晶混合结构的薄膜中间层23和柱状晶结构的薄膜顶层24，其晶相结构参见图3所示。这种三层复合结构的薄膜，能够有效地缓解薄膜应力，十分有利于改善薄膜应力状态。

根据本发明的不同实施例中，为了操作方便，可以保持基片温度，在前述步骤(2)至(5)的镀膜全程中，都保持在0～10℃左右。由于多弧离子镀的离化率高，产生的等离子体能量高，低温下的基体不会影响电弧离子镀阶段的晶体状态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。