[发明专利]一种基于反应回滞曲线制备TiN涂层的控制方法

说明书

本发明公开了一种基于反应回滞曲线制备TiN涂层的控制方法，包括采用高功率脉冲磁控溅射技术，以Ti金属单质靶为金属靶，N₂作为反应气体，基于反应气体通入流量先增加后减小测量金属靶放电电压，完成对反应气体通入流量的最小二乘法回归拟合，横坐标为检测点的反应气体流量，纵坐标为检测点的放电电压，拟合出“反应气体流量‑放电靶电压”反应回滞曲线；在反应气体流量上升和下降过程中，同一个气体流量对应的放电电压的差值达到电压差阈值的区域作为反应回滞曲线的过渡区域，在过渡区域选择反应气体的通入流量，实现在基底表面沉积TiN涂层的化学计量比和制备速率的控制。利用该方法能够简单、高效选取制备参数，以高速率稳定制备TiN涂层。

技术领域

本发明属于表面涂层改性技术领域，具体涉及一种基于反应回滞曲线制备TiN涂层的控制方法。

背景技术

氮化物涂层具有高硬度，高化学稳定性，耐腐蚀磨损等优异性能，通常选择电负性比氮小的过渡金属元素化合形成过渡金属氮化物，过渡金属氮化物中M-M(金属-金属)相互作用占主导，一般具有导电性，因此也被成为导电陶瓷或金属氮化物。目前主要研究的过渡金属氮化物包括ⅣB、ⅤB、ⅥB过渡族元素氮化物。应用到表面工程防护技术领域，过渡金属氮化物涂层作为一种保护涂层，在高氯离子含量、高温高湿、砂砾冲击、中子辐照等严苛服役环境下有着广阔的应用前景。

反应磁控溅射技术是制备过渡金属化合物涂层材料的重要方法之一，反应溅射是指具有一定能量的惰性气体离子(Ar⁺、Kr⁺)溅射金属或合金靶表面，被溅射出的金属原子与反应气体发生反应在基底表面形成化合物的技术，利用该技术可以制备出可控化学计量比的高纯度涂层。近年来发展出一种高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术，作为一种新兴的物理气相沉积(PVD)技术，其可以制备高致密度性能优良的氮化物涂层。与传统直流磁控溅射技术以及阴极电弧离子镀相比，其应用于涂层制备具有独特的优势，可实现溅射金属材料的高度离化，产生不含宏观大颗粒等缺陷的高密度沉积离子束流，靶前稠密的等离子体具有维持放电和为涂层生长提供等离子体辅助的双重功能，进而影响生长涂层的微观结构。同时高功率脉冲磁控溅射技术绕镀性好，使得制备的涂层兼具高致密性和均一性。

然而随着反应气体的加入，化合物层不仅在基底表面生成，也会在接地的腔体内壁以及金属靶材表面生成，在金属靶材表面生成化合物的情形常被称为“靶中毒”。靶中毒的程度取决于靶表面溅射速率和靶表面化合物生成速率之间的竞争，从而引起反应溅射过程中出现放电电压或反应气体分压等参数出现非线性的回滞特征，称为回滞效应。并且由于化合物的化学键强度通常比金属原子间的金属键强得多，因此发生靶表面中毒时，溅射产额会发生大幅降低，而较低的溅射产额会导致较低的沉积速率。此外，高功率脉冲磁控溅射能产生更多的金属离子，在较高的负靶电压下容易发生金属离子回吸效应，导致沉积速率进一步降低，其沉积速率一般为传统直流磁控溅射的20％-70％。

因此研究如何实现化合物涂层高速率稳定制备对于发展组分结构稳定、性能优良的二元及多元氮化物涂层至关重要。这不仅有助于深入理解反应溅射的基本物理过程，指导装备设计和涂层组分结构的构建，也为研发苛刻工况下高性能涂层提供理论依据和实验基础，有着广泛而深远的意义。

发明内容

本发明提供一种基于反应回滞曲线制备TiN涂层的控制方法，利用该方法能够简单、高效选取制备参数，以高速率稳定制备TiN涂层。

一种基于反应回滞曲线制备TiN涂层的控制方法，包括：

采用高功率脉冲磁控溅射技术，以Ti金属单质靶为金属靶，N₂作为反应气体，基于反应气体通入流量先增加后减小测量金属靶放电电压，完成对反应气体通入流量的最小二乘法回归拟合，横坐标为检测点的反应气体流量，纵坐标为检测点的放电电压，拟合出反应气体流量-放电靶电压反应回滞曲线；