TiN涂層的制備及其性能研究

姬清華 嚴芳芳

（新鄉學院 機電工程學院，新鄉 453000）

TiN涂層的制備及其性能研究

姬清華 嚴芳芳

（新鄉學院 機電工程學院，新鄉 453000）

本文通過射頻磁控濺射沉積的方法，采用TiN靶材在基體上制備了氮化鈦涂層，并利用掃描電鏡、能譜分析儀、劃痕儀、超景深顯微鏡，對制備的氮化鈦涂層的宏觀、微觀形貌及力學性能進行了檢測。研究表明，基體表面形成界面結合良好，鍍層十分致密，無孔隙和裂紋等缺陷，實驗最佳濺射功率為97.5W。

TiN涂層 磁控濺射 微觀組織

法拉第在1853年做氣體放電實驗時，首次發現有金屬沉積在放電管玻璃內壁上的現象[1]。磁控濺射采用在靶面上加跑道磁場來控制電子的運動，延長其在靶面周圍的行程，以提高等離子體的密度，是物理氣相沉積（PVD）的一種。因此，濺射鍍膜的速率得到了極大提升[2]。近年來，磁控濺射技術發展很快，具有代表性的方法有平衡磁控濺射、非平衡磁控濺射、反應磁控濺射和脈沖磁控濺射等[3-6]。TiN薄膜屬于第Ⅳ族過渡金屬氮化物，NaCl面心立方晶體結構類型，具有高熔點、高硬度、優異的熱和化學惰性、導電性、耐腐蝕性和生物相容性[7-10]。正是由于這些優異的性能，TiN在建筑、裝飾、機械加工、航空航天以及微電子工業等領域，得到了廣泛應用。

1 實驗方法

1.1 實驗介紹

實驗選用靶材為定制的73×3mm氮化鈦靶材，基體采用玻璃載片，濺射前用酒精及超聲波清洗基體。磁控濺射實驗流程：開機準備工作—抽取真空—充氣—濺射—整理工作。樣品的制備條件為：真空度5×10-4Pa，氬氣流量設置為30sccm，濺射時間設置為20分鐘，壓強設置在3Pa，溫度為室溫，電壓分別設置在500V、750V、1100V、1300V，對應的電流分別是0.1A、0.13A、0.16A、0.2A，并分別將其編號為1號、2號、3號、4號樣品。

1.2 實驗設備及材料

采用微米力學性能測試系統（NLS4-4-16-BS1-NA）進行結合力和硬度測試，并用超景深三維顯微系統（VHX-1000）對得到的劃痕進行形貌觀察、評估。微觀形貌分析采用掃描電子顯微鏡（SEM）進行。利用能譜分析儀（EDS）對涂層元素、成分進行分析。劃痕測試時，設置劃痕總長為2mm，速度設置為5N/min，力逐漸增加至20N；當劃痕劃完或壓痕壓完后，再將各個樣品分別移至超景深三維顯微系統下進行三維測試，以做進一步分析。

2 實驗結果及討論

2.1 復合涂層的形貌觀察

圖1為磁控濺射方法制備的各試樣的宏觀圖片。

由圖1可以看出，在不同的功率下，所制備出的氮化鈦涂層逐漸加深。1號樣品的電壓、電流最小，所制備出的氮化鈦涂層最不明顯，樣品仍處于完全透明狀態；2號樣品的顏色開始出現變化，呈現出淡黃色，說明在這個電壓下，可能濺射出氮化鈦涂層；3號樣品的顏色發生明顯變化，呈現出暗黃色，說明在這個電壓下，所制備的氮化鈦涂層更為明顯，效果也更明顯；4號樣品的電壓最大，所制備出的氮化鈦涂層也最為明顯，玻璃片表面幾乎呈現為黑色，制備出的氮化鈦涂層在這些樣品中也最明顯。

圖1 鍍層的宏觀形貌圖

圖2為樣品的SEM圖像。1號試樣氮化鈦涂層顏色淺，玻璃基片上沒有明顯的顆粒沉積現象。2號試樣表面可看出試件表面有顆粒的堆積，說明已經制備出一層很薄的氮化鈦涂層。3號試樣表面可以看到有較明顯的顆粒堆積，粒子分布基本均勻，有部分團聚現象。從圖上可以明顯看到顆粒堆積的形態，基體表面已形成一層較密的氮化鈦涂層。4號試樣可看到在玻璃片上有較明顯的顆粒堆積現象，顆粒更為密集，堆積的形狀也更為平整。基體表面可以看出涂層十分致密，顆粒分布均勻，無孔隙和裂紋等缺陷。

圖2 涂層的的SEM形貌（放大倍率100000倍）

2.2 試樣的EDS分析

圖3為4號樣品的能譜分析圖。從圖譜中可見，4號樣品中Ti、N含量均較高。表1為涂層中主要元素的含量。從表1可見，隨著功率增加，圖層中Ti、N含量明顯增加。因此可知，功率對氮化鈦涂層的制備存在著較大影響。鍍膜的功率越大，制備出的涂層越明顯，性能也越明顯。但功率過大，也會影響涂層的使用性能，涂層沉積的速率會增大，易形成晶體缺陷，無法制備出較完善的氮化鈦涂層；功率過小，也將無法制備出性能較好的氮化鈦涂層。

圖3 能譜分析圖（4號樣品）

表1 主要元素含量（1-4樣品）

2.3 氮化鈦涂層的性能分析

圖4為試樣品在微米力學測試系統測得的劃痕圖，1號該樣品在1.033mm處開始出現崩裂現象，到最后部分該樣品玻璃表面已大面積崩裂。2號樣品的劃痕和圖，劃痕在0.7mm處開始出現崩裂現象，到最后也出現大面積破裂。但與1號樣品相比，2號樣品完全崩裂的區域小一些，前部分的劃痕出現了不太明顯的碎屑，劃痕也較明顯。由3號樣品的劃痕圖可知，在0.6mm處劃痕開始出現涂層脫落現象，劃痕的邊緣也有較明顯的碎屑，且劃痕的尾部沒有出現較為明顯的表面崩裂現象，只出現一些裂紋。4號樣品的劃痕圖在0.3mm處開始出現涂層的脫落，且劃痕邊緣的碎片更為明顯，隨著力的增加，劃痕的深度也不斷加深，碎屑的形狀也變得更明顯。從劃痕的放大圖上可以明顯看到，劃痕直到最后也沒有出現崩裂和裂紋。

圖4 樣品三維劃痕形態圖

經過上述分析可以得出，在相同的溫度、時間、壓強和氬氣流量下，不同功率對氮化鈦涂層制備的影響比較明顯。功率越大，制備的氮化鈦涂層性能越好，但功率也不能過高，否則制備的氮化鈦涂層性能反而會下降。

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The Preparation and Properties of TiN Coating

JI Qinghua,YAN Fangfang
(Mechanical and Electrical Engineering College, Xinxiang University, Xinxiang 453002)

TiN coating was prepared by magnetron sputtering method in this paper. The surface image, structure, mechanical properties of the coating were analyzed by SEM, EDS, mMicro mechanics test system, Super depth of field microscope. The results show that there are not pore or crack or other obvious defects in the coating, The optimal sputtering power of this test is 97.5 W.

TiN coating, magnetron sputtering, microstructure

河南省高等學校青年骨干教師培養計劃（2013GGJS-221）。