رسالة جامعية تأثير التحيز السلبي على معدل الترسيب والبنية الخاصة بمركبات متعددة الأيونات بتقنية TiN

عند استخدام معدات طلاء متعدد الأيونات الراسية لإيداع طبقة رقيقة من TiN على سطح الفولاذ المصقول عالي السرعة ، مع عدم تغيير المعلمات الأخرى ، تم التحقق من تأثير الجهد التحيز على معدل ترسيب الفيلم الرقيق. أظهرت النتائج التجريبية أنه مع زيادة التحيز السلبي ، يزيد معدل الترسيب بشكل مستمر ، ولكن بعد التحيز السلبي الذي يصل إلى قيمة معينة ، ينخفض معدل الترسيب مع زيادة الجهد التحيز.

نظرا لصلابتها العالية ، معامل الاحتكاك المنخفض ، الخمود الكيميائي الجيد ، اللون الفريد والتوافق الحيوي الجيد ، تستخدم أفلام TiN على نطاق واسع في الصناعات الميكانيكية والبلاستيكية والمنسوجات والصناعات الطبية والإلكترونيات الدقيقة وغيرها من الصناعات. لقد أصبحت واحدة من أكثر المواد الرقيقة المستخدمة على نطاق واسع في البحث الصناعي والتطبيق الآن. هناك العديد من الطرق لتحضير أفلام TiN ، ومن بينها الطلاء المتعدد الأيونات هو واحد من أكثر التقنيات المستخدمة على نطاق واسع في الصناعة اليوم. هذه التكنولوجيا نشأت في الستينيات وتم تطويرها بسرعة منذ ذلك الحين. يتميز الفيلم الرقيق المتعدد الأيونات المتصلب بالكثير من المزايا مثل التصاق قوي بقاعدة الأفلام ، الكثافة العالية لطبقة الفيلم ، مجموعة واسعة من المواد التي يمكن طلاءها ، الطلاء الجيد ، ودرجة حرارة الترسيب المنخفضة. ومع ذلك ، هناك العديد من العوامل التي تؤثر على جودة الفيلم أثناء عملية الطلاء. وقد أظهرت الدراسات المحلية والدولية أن معلمات العملية الرئيسية التي تؤثر على طلاء أيونات القوس المتقارب هي تيار كاثود الهدف ، وضغط غاز التفاعل ، والتحيز السلبي للركيزة ، والضغط الجزئي للنيتروجين ، ودرجة حرارة ترسب الركيزة.

في هذه الورقة ، ندرس بشكل أساسي تأثير التحيز السلبي على معدل الترسب. عندما ينحاز الركيزة سلبيا ، سيتم تسريع أيونات في البلازما من قبل الحقل الكهربائي التحيز السلبي إلى الركيزة. عند الوصول إلى سطح الركيزة ، فإن الأيونات تقذف الركيزة وتحول الطاقة التي تم الحصول عليها من الحقل الكهربائي إلى الركيزة ، مما تسبب في ارتفاع درجة حرارة الركيزة. ولذلك ، فإن الجهد التحيز السلبي الركيزة له تأثير كبير على معدل الترسيب ، والإجهاد المتبقية الداخلية ، وقوة ملزمة للفيلم والركيزة ، وخصائص الاحتكاك من الغشاء / قاعدة في عملية الطلاء. يمكن أن يؤدي تغيير الانحياز السلبي للركيزة إلى ضبط طاقة الأيونات المترسبة ودرجة حرارة سطح الركيزة للتحكم في جودة الطلاء. تمت دراسة تأثير التحيز السلبي على بنية وخصائص طلاء أيون متعدد الأركان TiN والإبلاغ عنها. ومع ذلك ، نادرا ما يتم الإبلاغ عن تأثير التحيز السلبي على معدل ترسيب الأفلام الرقيقة. تعتزم هذه المقالة لدراسة تأثير التحيز السلبي على معدل ترسب الفيلم.

1. الطريقة التجريبية

يتم استخدام الفولاذ المصقول عالي السرعة كمادة أساسية. تم غسل العينة بالموجات فوق الصوتية باستخدام الإيثانول المطلق لمدة 20 دقيقة ، ثم تم مسح سطح الركيزة بالإيثانول المطلق والأسيتون ، ثم تجفيفها ، ووضعها مرارًا على الإطار الأساسي لنظام طلاء أيونات القوس المتعدد ، والمسافة بين الهدف والركيزة هو 250 ملم. عندما تم ضخ غرفة التفريغ إلى فراغ في الخلفية 2.6 × 10 −3 Pa ، تم شحن غاز Argon إلى 5 Pa ~ 10 Pa ، وتم تطبيق جهد انحراف سلبي قدره 500 V على قطعة العمل. بعد الصيانة لمدة 2 دقيقة إلى 3 دقائق ، تم رفع الجهد إلى 900 فولت. يتكون غاز الأرغون من توهج البلازما الخزامى تحت التفريغ المنخفض الجهد ، وتحت عمل حقل كهربائي ، تقوم أيونات الأرجون بقذف قطعة الشغل. بعد غسل الوهج ، يتم تقليل غاز الأرجون إلى حوالي 2 باسكال ، ويتم تطبيق جهد انحراف سلبي يبلغ 900 فولت على قطعة الشغل ، ويتم اشتعال الهدف Ti ، ثم يتم قذف الركيزة بأيونات معدنية عالية الطاقة. بعد التنظيف ، تم تعديل جهد التحيز السلبي إلى 0 V ، -50 V ، -100 V ، -150 V ، -200 V ، و -250 V على التوالي. وتودع أفلام TiN. أثناء عملية الطلاء ، كان الجهد القوسي U = 20 V ، التيار القوسي I = 65 A ، وكان وقت الترسيب 30 دقيقة. تم استخدام حيود الأشعة السينية لتحليل بنية المرحلة للفيلم. تم تحليل البنية الدقيقة للطلاء عن طريق المسح المجهري الإلكتروني. تم قياس سماكة الفيلم باستخدام أداة تعريف XP-2. ثم تم حساب معدل الترسيب على أساس سمك المقاسة وزمن الترسب.

2. النتائج والتحليل

2.1. هيكل المرحلة من الفيلم تحت التحيزات المختلفة

يوضح الشكل 1 نمط انعراج الأشعة السينية للفيلم. يظهر التحليل أن تكوين المرحلة من الفيلم هو مرحلة TiN. عندما لا يتم تطبيق أي تحيز ، يمكن ملاحظة قمم الحيود المقابلة لطائرات TiN (200) و (220) بلورية ، ولكن (111) تكون ذروة الحيود صفراً تقريباً. أقوى ذروة في هذا الخط هي من قاعدة Fe (111) ، مما يدل على أن سمك الفيلم صغير وأن الأشعة السينية قد اخترقت الركيزة. مع زيادة الجهد التحيز ، يبدأ اتجاه البلورة (111) في الظهور ، ويتم إضعاف التوجه المفضل (200) نسبيًا. عندما يبلغ الجهد المتحيز 200 فولت ، يظهر فيلم TiN تفضيلًا قويًا (111). نلاحظ أن ذروة الحديد (111) يضعف تدريجيا مع زيادة الجهد التحيز ، مما يدل على أن سمك الفيلم يصبح تدريجيا أكبر.

رسم 1 نمط حيود XR للأفلام TiN التي تم الحصول عليها تحت جهدات مختلفة

2.2. مورفولوجيا سطح الطلاء

الشكل 2: مورفولوجيا السطح لطلاء TiN

في طلاء طلاء أيون متعدد القوس ، هناك جسيمات مشتتة على السطح. ويعتقد عموما أن الهدف ذاب في قطرات صغيرة تحت درجة حرارة عالية من القوس المحلي وطرده ، ومن ثم التمسك سطح الطلاء في شكل جسيمات صلبة. صلابة هذه النطاقات أقل من تلك الخاصة بفيلم TiN. هذه البقع الناعمة تضر بأداء الأداة المغلفة وكذلك تقلل من السطح النهائي للأداة. ويمكن ملاحظة ذلك عن طريق مسح المجهر الإلكتروني بأن جسيمات سطح طلاء TiN تكون بشكل عام في نطاق 1 ميكرومتر إلى 2 ميكرومتر ، وعدد الجسيمات حتى 5 ميكرومتر صغير.