專利名稱：在金屬零件表面制備高附著力Ta/TaN疊層薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬零件表面處理技術(shù)，涉及金屬零件表面Ta/TaN疊層薄膜制備方法的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
TaN膜是一種穩(wěn)定的電阻膜和良好的擴(kuò)散阻擋層薄膜，具有較低的溫度系數(shù)，因而 在半導(dǎo)體、集成電路中有著重要的應(yīng)用，其實(shí)，TaN在耐磨耐蝕方面也具有優(yōu)異的性能，氮化 鉭薄膜最高硬度可達(dá)4100HV，其耐磨損性能優(yōu)于氮化鈦。研究表明，氮化鉭薄膜中Ta-N主 要以共價(jià)鍵形式存在，較一般氮化物薄膜具有更高的致密性，從而使氮化鉭薄膜具有更加 優(yōu)異的耐蝕能力，因此這種薄膜適用于耐磨耐蝕要求都比較高的場(chǎng)合。但是由于單一膜層 在制備過程中容易產(chǎn)生缺陷，如在TaN薄膜中會(huì)產(chǎn)生空洞、位錯(cuò)、微裂紋等，且薄膜應(yīng)力較 大，使得其耐磨、耐蝕性能受到很大限制。近些年來一些研究人員常采用金屬/金屬碳氮化 物疊層結(jié)構(gòu)來提高碳、氮化合物的性能，彌補(bǔ)制備過程中產(chǎn)生的一些缺陷，釋放一些碳、氮 化合物產(chǎn)生的應(yīng)力。然而TaN如采用這種疊層結(jié)構(gòu)，其界面狀態(tài)是不容易控制的，由于Ta 的原子序數(shù)大，不易熱擴(kuò)散，且硬度也高，同時(shí)TaN活性又小，因此采用磁控濺射等沉積方 法制備Ta/TaN疊層膜時(shí)，Ta很難與基體及TaN膜形成牢固界面，薄膜附著力差，并且隨著膜 系層數(shù)的增加，應(yīng)力也會(huì)不斷積累而產(chǎn)生脫落，例如，《Effects of processing variables on the mechanical properties of Ta/TaN multilayer coaings》，Young kwon Kang 等， Materials Science and Engineering, 2000,1375 17-230 文中，韓國 Inha 大學(xué)冶金工程 系的Young kwon Kang等人采用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)制備了 Ta/TaN疊層膜，并進(jìn)行了顯微劃 痕試驗(yàn)，其臨界載荷在35N左右，膜基界面附著力較低。另外，采用此類方法在曲面零件上 生長Ta/TaN疊層膜，膜基界面附著力更差，在等離子體輔助沉積中，由于曲面零件周圍電 勢(shì)分布和等離子體鞘層的厚度不同，導(dǎo)致零件表面薄膜生長情況不同，不同膜層間容易產(chǎn) 生畸變，這使Ta/TaN疊層內(nèi)應(yīng)力惡化，更容易產(chǎn)生崩裂及脫落。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種具有高附著力的金屬零件表面Ta/TaN疊層薄膜的制 備方法，以解決金屬零件表面特別是曲面零件表面Ta/TaN薄膜開裂、破碎和脫落的問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是在金屬零件表面制備高附著力Ta/TaN疊層薄膜的方法，其 特征在于，采用交替離子注入及沉積方法制備Ta/TaN疊層薄膜，該方法制備的疊層薄膜膜 基界面附著力高，并且疊層層間結(jié)合牢固，其制備的步驟如下1、對(duì)零件表面進(jìn)行清洗1. 1、對(duì)零件進(jìn)行超聲清洗將零件放入裝有去離子水的容器中，進(jìn)行超聲清洗，清 洗時(shí)間為20 40分鐘，然后取出吹干；1. 2、對(duì)零件表面進(jìn)行丙酮清洗用干凈的紗布沾丙酮對(duì)零件表面擦拭三次，然后 吹干；
1. 3、使用ECR離子源對(duì)零件表面進(jìn)行離子濺射清洗將零件放入設(shè)備的真空室 中，抽真空，當(dāng)氣壓低于4X10_3Pa時(shí)，向真空室通入氬氣，使氣壓保持在5 8X10_2Pa，開 啟氣體離子源，對(duì)工件加500V以上的負(fù)偏壓進(jìn)行清洗，直到零件表面沒有打火現(xiàn)象為止；2、制備過渡層打開Ta靶電源，調(diào)節(jié)靶電流為1 2A，打開高壓脈沖電源，調(diào)節(jié)高 壓脈沖電源頻率為500 800Hz，脈沖寬度為2 5 μ s，電壓幅度為-20KV _40kV，對(duì)零件 進(jìn)行Ta離子注入，注入時(shí)間為10 20分鐘；3、沉積TaN:關(guān)閉高壓脈沖電源，在繼續(xù)通入氬氣的同時(shí)，向真空室通入氮?dú)?，?氣壓保持在1 2X KT1Pa,開啟脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)脈沖偏壓電源頻率值為30 50kHZ，占 空比為30 50%，偏壓為-60 -300V ；調(diào)節(jié)靶電流為1. 0 2A，進(jìn)行TaN層沉積，沉積時(shí) 間為20 60分鐘；4、在TaN層上進(jìn)行Ta注入關(guān)閉脈沖偏壓電源和氮?dú)?，調(diào)節(jié)氬氣流量，使氣壓保持在5 8X 10_2Pa，打開高壓 脈沖電源，電壓幅度為-15 _25kV，頻率為500 800Hz，脈沖寬度為2 5 μ s，進(jìn)行Ta離 子注入，注入時(shí)間為10 20分鐘；5、疊層沉積TaN 重復(fù)步驟3 ；6、制備疊層Ta/TaN:重復(fù)步驟4后再次重復(fù)步驟3，直到完成零件預(yù)定疊層層數(shù)的 制備。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是所制備Ta/TaN疊層薄膜與金屬零件表面之間具有附著力高、結(jié) 合牢固等特點(diǎn)，解決了金屬零件表面特別是曲面零件表面Ta/TaN疊層薄膜崩裂及脫落的 問題。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。在金屬零件表面制備高附著力Ta/TaN疊層薄 膜的方法，其特征在于，采用交替離子注入及沉積方法制備Ta/TaN疊層薄膜，該方法制備 的疊層薄膜膜基界面附著力高，并且疊層層間結(jié)合牢固，其制備的步驟如下1、對(duì)零件表面進(jìn)行清洗1. 1、對(duì)零件進(jìn)行超聲清洗將零件放入裝有去離子水的容器中，進(jìn)行超聲清洗，清 洗時(shí)間為20 40分鐘，然后取出吹干；1. 2、對(duì)零件表面進(jìn)行丙酮清洗用干凈的紗布沾丙酮對(duì)零件表面擦拭三次，然后 吹干；1. 3、使用ECR離子源對(duì)零件表面進(jìn)行離子濺射清洗將零件放入設(shè)備的真空室 中，抽真空，當(dāng)氣壓低于4X10_3Pa時(shí)，向真空室通入氬氣，使氣壓保持在5 8X10_2Pa，開 啟氣體離子源，對(duì)工件加500V以上的負(fù)偏壓進(jìn)行清洗，直到零件表面沒有打火現(xiàn)象為止；2、制備過渡層打開Ta靶電源，調(diào)節(jié)靶電流為1 2A，打開高壓脈沖電源，調(diào)節(jié)高 壓脈沖電源頻率為500 800Hz，脈沖寬度為2 5 μ s，電壓幅度為-20KV _40kV，對(duì)零件 進(jìn)行Ta離子注入，注入時(shí)間為10 20分鐘；3、沉積TaN:關(guān)閉高壓脈沖電源，在繼續(xù)通入氬氣的同時(shí)，向真空室通入氮?dú)猓?氣壓保持在1 2X KT1Pa,開啟脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)脈沖偏壓電源頻率值為30 50kHZ，占 空比為30 50%，偏壓為-60 -300V ；調(diào)節(jié)靶電流為1. 0 2A，進(jìn)行TaN層沉積，沉積時(shí)
4間為20 60分鐘；4、在TaN層上進(jìn)行Ta注入關(guān)閉脈沖偏壓電源和氮?dú)猓{(diào)節(jié)氬氣流量，使氣壓保持在5 8X 10_2Pa，打開高壓 脈沖電源，電壓幅度為-15 _25kV，頻率為500 800Hz，脈沖寬度為2 5 μ s，進(jìn)行Ta離 子注入，注入時(shí)間為10 20分鐘；5、疊層沉積TaN 重復(fù)步驟3 ；6、制備疊層Ta/TaN:重復(fù)步驟4后再次重復(fù)步驟3，直到完成零件預(yù)定疊層層數(shù)的 制備。本發(fā)明的工作原理是首先在基體上進(jìn)行Ta離子注入，克服Ta原子序數(shù)大，不易 進(jìn)入基體的缺點(diǎn)，先將Ta牢牢釘扎在基體上，形成穩(wěn)定過渡層，再進(jìn)行TaN沉積，由于N原 子序數(shù)小，易產(chǎn)生熱擴(kuò)散并形成填隙原子，可以在離子能量不高的情況下與Ta層形成漸變 的牢固界面，然后在其上進(jìn)行Ta離子注入，使Ta進(jìn)入TaN層，種植在TaN層上，控制好TaN 層厚度與成分，在此基礎(chǔ)之上再進(jìn)行TaN沉積，如此反復(fù)形成Ta/TaN疊層結(jié)構(gòu)。離子注入工 藝不但可實(shí)現(xiàn)大原子序數(shù)元素在基體和膜層上的釘扎，而且離子轟擊也會(huì)產(chǎn)生加熱作用， 從而產(chǎn)生注滲效果，這樣就可以制備厚度較大、結(jié)合力較高的Ta/TaN疊層薄膜，解決曲面 零件上制備氮化鉭疊層薄膜的難題。實(shí)施例1 (六層)1、對(duì)零件表面進(jìn)行清洗1.1、對(duì)零件表面進(jìn)行清洗1. 1、對(duì)零件進(jìn)行超聲清洗將零件放入裝有去離子水的容器中，進(jìn)行超聲清洗，清 洗時(shí)間為20 40分鐘，然后取出吹干；1. 2、對(duì)零件表面進(jìn)行丙酮清洗用干凈的紗布沾丙酮對(duì)零件表面擦拭三次，然后 吹干；1. 3、使用ECR離子源對(duì)零件表面進(jìn)行離子濺射清洗將零件放入設(shè)備的真空室 中，抽真空，當(dāng)氣壓低于4X 10_3Pa時(shí)，向真空室通入氬氣，使氣壓保持在5 8X 10_2Pa，開 啟氣體離子源，對(duì)工件加500V以上的負(fù)偏壓進(jìn)行清洗，直到零件表面沒有打火現(xiàn)象為止；2、過渡層制備打開Ta靶電源，調(diào)節(jié)靶電流為1. 5A，打開高壓脈沖電源，調(diào)節(jié)高壓脈沖電源頻率 為500Hz，脈沖寬度為5 μ s，電壓幅度為_50kV，對(duì)零件進(jìn)行Ta離子注入，注入時(shí)間為20分 鐘；3、沉積 TaN:關(guān)閉高壓脈沖電源，調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁恐?2sCCm，調(diào)節(jié)氬氣流量使真空室內(nèi)氣壓保持 在1. 2 X ICT1Pa,開啟脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)脈沖偏壓電源頻率值為50kHz，占空比為30 %，偏 壓為-200V ；調(diào)節(jié)靶電流為1. 5A，進(jìn)行TaN層沉積，沉積時(shí)間為30min ；4、TaN層上進(jìn)行Ta注入關(guān)閉脈沖偏壓和氮?dú)?，調(diào)節(jié)氬氣流量使氣壓控制在6 X IO-2Pa,打開高壓電源，進(jìn)行 Ta離子注入，調(diào)節(jié)靶電流至1. 5A，調(diào)節(jié)高壓電源頻率至500Hz，脈沖寬度為5 μ s，電壓幅度 調(diào)至_20kV，注入時(shí)間為15min。5、疊層沉積TaN 重復(fù)步驟3 ；
6、制備疊層Ta/TaN 重復(fù)步驟4后再次重復(fù)步驟3。實(shí)施例2:(六層，單層較厚)1、對(duì)零件表面進(jìn)行清洗 1.1、對(duì)零件表面進(jìn)行清洗1. 1、對(duì)零件進(jìn)行超聲清洗將零件放入裝有去離子水的容器中，進(jìn)行超聲清洗， 清洗時(shí)間為20 40分鐘，然后取出吹干；1. 2、對(duì)零件表面進(jìn)行丙酮清洗用干凈的紗布沾丙酮對(duì)零件表面擦拭三次，然后 吹干；1. 3、使用ECR離子源對(duì)零件表面進(jìn)行離子濺射清洗將零件放入設(shè)備的真空室 中，抽真空，當(dāng)氣壓低于4X10_3Pa時(shí)，向真空室通入氬氣，使氣壓保持在5 8X10_2Pa，開 啟氣體離子源，對(duì)工件加500V以上的負(fù)偏壓進(jìn)行清洗，直到零件表面沒有打火現(xiàn)象為止；2、過渡層制備調(diào)節(jié)氬氣流量使真空室內(nèi)氣壓控制在6X10_2Pa，打開濺射靶電源，調(diào)節(jié)靶電流至 2A，打開高壓電源，調(diào)節(jié)高壓電源頻率至500Hz，脈沖寬度為5 μ s，電壓幅度至_50kV，注入 時(shí)間為20min。3、沉積 TaN:關(guān)閉高壓電源，調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁恐?6sCCm，調(diào)節(jié)氬氣流量使真空室內(nèi)氣壓控制在 0. 2Pa,打開脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)頻率值至50kHz，占空比30 %，偏壓-200V，調(diào)節(jié)靶電流至 2A，進(jìn)行TaN層沉積，沉積時(shí)間為40min。4、TaN層上進(jìn)行Ta注入關(guān)閉脈沖偏壓和氮?dú)?，調(diào)節(jié)氬氣流量使氣壓控制在6 X IO-2Pa,打開高壓電源，進(jìn)行 Ta離子注入，調(diào)節(jié)靶電流至2A，調(diào)節(jié)高壓電源頻率至500Hz，脈沖寬度為5 μ s，電壓幅度調(diào) 至_20kV，注入時(shí)間為20min。5、疊層沉積TaN 重復(fù)步驟3 ；6、制備疊層Ta/TaN 重復(fù)步驟4后再次重復(fù)步驟3。實(shí)施例3 (10層)1、對(duì)零件表面進(jìn)行清洗1.1、對(duì)零件表面進(jìn)行清洗1. 1、對(duì)零件進(jìn)行超聲清洗將零件放入裝有去離子水的容器中，進(jìn)行超聲清洗，清 洗時(shí)間為20 40分鐘，然后取出吹干；1. 2、對(duì)零件表面進(jìn)行丙酮清洗用干凈的紗布沾丙酮對(duì)零件表面擦拭三次，然后 吹干；1. 3、使用ECR離子源對(duì)零件表面進(jìn)行離子濺射清洗將零件放入設(shè)備的真空室 中，抽真空，當(dāng)氣壓低于4X10_3Pa時(shí)，向真空室通入氬氣，使氣壓保持在5 8X10_2Pa，開 啟氣體離子源，對(duì)工件加500V以上的負(fù)偏壓進(jìn)行清洗，直到零件表面沒有打火現(xiàn)象為止；2、過渡層制備調(diào)節(jié)氬氣流量使真空室氣壓控制在6X10_2Pa，打開濺射靶電源，調(diào)節(jié)靶電流至 2A，打開高壓電源，調(diào)節(jié)高壓電源頻率至500Hz，脈沖寬度為5 μ s，電壓幅度至_50kV，注入 時(shí)間為20min。
3、沉積 TaN:關(guān)閉高壓電源，調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁恐罤sccm，調(diào)節(jié)氬氣流量使真空室氣壓控制在
0.12Pa，打開脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)頻率值至50kHz，占空比30%，偏壓-200V，調(diào)節(jié)靶電流至
1.5A，進(jìn)行TaN層沉積，沉積時(shí)間為30min。4、TaN層上進(jìn)行Ta注入關(guān)閉脈沖偏壓和氮?dú)?，調(diào)節(jié)氬氣流量至6SCCm，氣壓控制在0. 06Pa,打開高壓電 源，進(jìn)行Ta離子注入，調(diào)節(jié)靶電流至1. 5A，調(diào)節(jié)高壓電源頻率至500Hz，脈沖寬度為5 μ s，電 壓幅度調(diào)至_20kV，注入時(shí)間為20min。5、疊層沉積TaN 重復(fù)步驟3 ；6、制備疊層Ta/TaN 重復(fù)步驟4后再次重復(fù)步驟3，總共重復(fù)操作3次。
權(quán)利要求
在金屬零件表面制備高附著力Ta/TaN疊層薄膜的方法，其特征在于，采用交替離子注入及沉積方法制備Ta/TaN疊層薄膜，其制備的步驟如下1.1、對(duì)零件表面進(jìn)行清洗1.1.1、對(duì)零件進(jìn)行超聲清洗將零件放入裝有去離子水的容器中，進(jìn)行超聲清洗，清洗時(shí)間為20～40分鐘，然后取出吹干；1.1.2、對(duì)零件表面進(jìn)行丙酮清洗用干凈的紗布沾丙酮對(duì)零件表面擦拭三次，然后吹干；1.1.3、使用ECR離子源對(duì)零件表面進(jìn)行離子濺射清洗將零件放入設(shè)備的真空室中，抽真空，當(dāng)氣壓低于4×10 3Pa時(shí)，向真空室通入氬氣，使氣壓保持在5～8×10 2Pa，開啟氣體離子源，對(duì)工件加500V以上的負(fù)偏壓進(jìn)行清洗，直到零件表面沒有打火現(xiàn)象為止；1.2、制備過渡層打開Ta靶電源，調(diào)節(jié)靶電流為1～2A，打開高壓脈沖電源，調(diào)節(jié)高壓脈沖電源頻率為500～800Hz，脈沖寬度為2～5μs，電壓幅度為 20KV～ 40kV，對(duì)零件進(jìn)行Ta離子注入，注入時(shí)間為10～20分鐘；1.3、沉積TaN關(guān)閉高壓脈沖電源，在繼續(xù)通入氬氣的同時(shí)，向真空室通入氮?dú)?，使氣壓保持?～2×10 1Pa，開啟脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)脈沖偏壓電源頻率值為30～50kHZ，占空比為30～50％，偏壓為 60～ 300V；調(diào)節(jié)靶電流為1.0～2A，進(jìn)行TaN層沉積，沉積時(shí)間為20～60分鐘；1.4、在TaN層上進(jìn)行Ta注入關(guān)閉脈沖偏壓電源和氮?dú)?，調(diào)節(jié)氬氣流量，使氣壓保持在5～8×10 2Pa，打開高壓脈沖電源，電壓幅度為 15～ 25kV，頻率為500～800Hz，脈沖寬度為2～5μs，進(jìn)行Ta離子注入，注入時(shí)間為10～20分鐘；1.5、疊層沉積TaN重復(fù)步驟1.3；1.6、制備疊層Ta/TaN重復(fù)步驟1.4后再次重復(fù)步驟1.3，直到完成零件預(yù)定疊層層數(shù)的制備。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬零件表面處理技術(shù)，涉及對(duì)金屬零件表面Ta/TaN疊層薄膜制備方法的改進(jìn)。其特征在于，利用交替離子注入及沉積方法制備Ta/TaN疊層薄膜，制備的步驟如下對(duì)零件表面進(jìn)行清洗；制備過渡層；沉積TaN；在TaN層上進(jìn)行Ta注入；然后再進(jìn)行TaN沉積，如此重復(fù)進(jìn)行注入/沉積操作形成Ta/TaN疊層。本發(fā)明所制備Ta/TaN疊層薄膜與金屬零件表面之間具有附著力高、結(jié)合牢固的特點(diǎn)，解決了金屬零件表面特別是曲面零件表面Ta/TaN疊層薄膜崩裂及脫落的問題。
文檔編號(hào)B32B15/04GK101962746SQ201010299469
公開日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2010年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月8日
發(fā)明者劉星, 孫剛, 武洪臣, 王劍鋒, 馬國佳, 馬賀 申請(qǐng)人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所