Si离子注入对TiN薄膜的微观结构和力学性能的影响.pdf

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1、第3O卷第3期物理测试Vo1．30，No．32012年5月PhysicsExaminationandTestingMay2012Si离子注入对TiN薄膜的微观结构和力学性能的影响秦华，陶冶，邓斌(北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京100191)摘要：采用MEVVA离子源技术对由磁过滤阴极真空电弧沉积的TiN薄膜注入不同剂量的Si元素，利用XPS和纳米硬度仪表征si离子注入后化学成分、元素键合状态以及硬度的变化。结果表明，si离子注入后，薄膜表面硬度得到提高，5×10ions／cm的样品硬度峰值从27．18GPa增加到39．85GPa，随着注入剂量的增加，纳米硬度峰值有下降的

2、趋势，1×10”ions／cm。的样品硬度峰值为33．27GPa，但表面改性层的深度增加，纳米硬度在一定的深度范围内得到了整体的提高。离子注入使薄膜表面层的弹性模量显著提高，表层弹性模量随注入剂量的增加而提高。并且由于Si元素的注入，形成了新的微结构相Si。N，新相的含量与注入剂量有关。关键词：TiN薄膜；Si离子注入；纳米硬度；XPS文献标志码：A文章编号：1001—0777(2O12)03—0031-04Effect0n】Ⅵicr0structureandMechanicalProperties0fSi—IonImplantedTiNCoatingsQINHua，TAOYe，

3、DENBing(SchoolofMaterialsScienceandEngineering，BeihangUniversity，Beijing100191，China)Abstract：Metalvaporvacuumare(MEVVA)ionsourcewasusedtoimplantsiliconionintoTiNcoatingswithvarieddose．X-rayphotoelectronsectroscopy(XPS)wasemployedtOinvestigatetheprofileofthechemicalcompo—sition．Nanoindenterte

4、stedthenanohardnessofSi-implantedTiNcoatings．Theresultsrevealedthatthenanohard—nessofSi—ionimplantedTiNcoatingschangedremarkably．5×10ions／cmsample’SnanohardnesspeakincreasedtO39．85from27．18GPa，withtheimplanteddoseincreased，nanohardnesspeakhadthetendencytodecrease，1×10ions／cmsample’Shardnesspe

5、akwas33．27Gpa，butimplantationlayerwasincreasedoverallinacertaindepthrange．NewmicrocrystaUinephasesSi3N4wereformedwhichhavebeenprovedbyXPS，andthenewnanophasehasinfluenceonmechanicalpropertyofcoatings．Keywords：TiNcoatings；Si—ionimplantation；nanohardness；XPS为了有效地提高材料的表面性能，MEVVA金沉积无法进行，运用离子注入技术能灵

6、活控制和提属离子源离子注入技术被广泛应用于机械、半导体高薄膜的Si含量。本文主要研究Si离子注入对和抗腐蚀等工业领域口]。近年来，很多人对离子注TiN薄膜的硬度、相组成、化学价态的影响。入硬质薄膜后的效果进行了研究，得到了十分有用1试样制备与检测的结果。AtsushiMitsuo等]发现，c离子注入TiN薄膜后能够减小TiN薄膜的摩擦系数和磨损样品采用硬质合金(15Inm×15mm×4mm)量，提高TiN薄膜的耐磨性能；K．P．Purushotham作为沉积基底，沉积之前在丙酮中进行超声清洗，除等[7]研究发现zr离子注入TiN薄膜能够提高薄膜油后放入真空室，真空室本底真空度为3

7、×10_Pa。的耐蚀性能；JerzyNarojczyk等发现Al和N离利用磁过滤多弧离子镀的设备在样品表面沉积一层子注入TiN薄膜能够有效地提高薄膜的硬度。近约1m厚的TiN薄膜，随后样品采用MEVVA离来一些研究集中在TiSiN纳米复合薄膜上，如研究子源进行Si离子注入，其中，样品1注入剂量为0，Si原子含量和生长情况对薄膜微观结构和力学性样品2注入剂量为5×10¨ions／era。，样品3注入剂能的影响[9-11]，结果表明，在相同条件下，TiSiN纳量为1×10"ions／