专利名称：一种降低硬质薄膜应力的薄膜制备方法
技术领域：
本发明涉及一种薄膜的利记博彩app，特别是关于一种降低硬质薄膜应力的薄膜制备方法。
背景技术：
一般硬质薄膜(比如TiN、TiAlN、TiCN、CrN、金刚石、立方氮化硼等)具有硬度高、 耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化等优异的性能，在切削刀具和耐磨零部件等领域有着广泛的应用。目前，制备硬质涂层的主要技术是气相沉积，包括物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。其中，PVD技术又包括电弧离子镀、磁控溅射、离子束辅助沉积等。在硬质薄膜的各种制备方法中，普遍使用荷能粒子对衬底材料表面进行轰击，同时在沉积过程中往往伴随有热效应过程，这都会使得所制备的硬质薄膜中存在较高的应力。硬质薄膜中高的应力一方面会影响硬质薄膜与衬底材料的结合力，另一方面在后期的使用过程中易萌生裂纹而导致硬质薄膜失效、甚至脱落，从而不能较好地满足工业涂层和刀具涂层的需要。因此，降低硬质薄膜的应力对于其应用有着非常重要的意义。为了降低硬质薄膜的应力，提高薄膜与衬底的结合力，研究人员采用各种手段来降低硬质薄膜的应力，如增加过渡层或缓冲层、提高沉积温度或进行退火处理、降低轰击粒子的能量等，这些方法虽然在一定程度上降低了薄膜的应力，但是往往也会削弱薄膜的其它性能。比如，通过在衬底和硬质薄膜间增加相应的金属软膜层作为缓和层时，因金属软膜层的变形吸收部分应变，使得应力得到释放，从而提高了结合力；但是，由于金属层较软，而使复合膜层整体的硬度有所降低。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够降低硬质薄膜应力的薄膜制备方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种降低硬质薄膜应力的薄膜制备方法，其包括以下步骤1)加工具有图案的掩模板，并加工与掩模板外形尺寸相对应的底板；2)清洗掩模板、底板和衬底材料，并将衬底材料固定在掩模板和底板之间，使衬底材料表面只暴露出与掩模板上的图案对应的表面；3)将固定好的衬底材料置于气相沉积系统的真空室中，在衬底材料上沉积与掩模板上图案对应的硬质薄膜；4)将沉积有图案的硬质薄膜的衬底材料，继续在气相沉积系统的真空条件下自然冷却至室温后取出，即完成图案硬质薄膜的制备。所述步骤3)中的气相沉积系统为物理气相沉积系统，其包括离子束辅助沉积系统、溅射沉积系统、离子镀沉积系统和蒸发沉积系统中的一种。所述步骤3)中的气相沉积系统为化学气相沉积系统，其包括热丝化学气相沉积系统和等离子增强化学气相沉积系统中的一种。所述掩模板的图案为长条形、方形、多边形、圆形、椭圆形、三角形、网格中的一种或两种以上图案的组合。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明方法首先将待沉积的衬底材料表面用掩模板遮挡部分区域，只暴露出具有设计图案的衬底材料表面，再采用气相沉积技术制备硬质薄膜，最终获得图案化的硬质薄膜，从而有效地降低了硬质薄膜的应力。2、本发明方法由于利用掩模板沉积技术制备图案化硬质薄膜的方式，实现了硬质薄膜残余应力的释放，能有效降低硬质薄膜的应力。3、本发明由于用掩模板遮挡住的未沉积薄膜的区域，为硬质薄膜在沉积过程中提供了应力的释放空间，使硬质薄膜在沉积生长的同时，其应力就得到了很好的释放，不需要额外的步骤，本发明方法简便易行。4、按照本发明制备的图案化硬质薄膜，在应力得到释放的同时，其与衬底材料表面的结合力和耐磨损性能均得到提高。本发明可以广泛用于工业涂层和刀具涂层行业中。
图1是本发明制备图案化硬质薄膜流程框2是本发明掩模板示意3是本发明图案化硬质薄膜沉积过程示意4是本发明实施例2中圆形图案掩模板的示意5是本发明实施例2中方形图案掩模板的示意图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1 图3所示，本发明是采取一种将薄膜图案化来降低硬质薄膜应力的方法， 该图案化硬质薄膜的制备方法包括以下步骤1)设计加工具有图案的掩模板1，制备用于固定的底板2和待沉积的衬底材料3 ；2)清洗掩模板1、底板2和衬底材料3，并将衬底材料3固定在掩模板1和底板2 之间，使衬底材料3表面透过掩模板1只暴露出与设计图案相应的区域，而遮住设计图案以外的区域；3)将固定好的衬底材料3置于气相沉积系统中，在衬底材料3上沉积形成与设计图案相应的硬质薄膜，沉积时间根据沉积方法、待沉积材料、沉积工艺参数和所预先设计的薄膜厚度而定；4)将沉积有设计图案的硬质薄膜的衬底材料3在气相沉积系统中自然冷却至室温后取出，即完成在衬底材料3表面图案化硬质薄膜的制备。实施例1 1)采用70mmX50mmX0. 2mm的lCrl8Ni9Ti不锈钢板作为掩模板1，在其上采用刻蚀法制备条纹图案4(如图2所示)，其中，条纹宽度为2mm，条纹与条纹之间的间距为2mm， 条纹图案4的面积率为50%。在掩模板1的两端边缘处加工出用于固定的安装孔5。另取一厚度为Imm的lCrl8M9Ti不锈钢板作为底板2，底板2与掩模板1外框尺寸相同，在不锈钢底板2上加工与掩模板1上位置及尺寸相同的安装孔。2)取厚度为385 500 μ m,外框尺寸小于掩模板1的硅片作为待沉积薄膜的衬底材料3，将掩模板1、底板2和衬底材料3分别按顺序在石油醚、丙酮、无水乙醇中超声清洗各lOmin，取出自然晾干；将衬底材料3放置在掩模板1和底板2之间，在掩模板1和底板2相对设置的各通孔5中插入螺栓，并用螺母在另一端固定，以保证衬底材料3夹在掩模板 1与底板2之间，结合紧密、无缝隙。此时透过掩模板1的条纹图案4只暴露出需要沉积薄膜的区域，而遮挡住了衬底材料3表面不需要沉积薄膜的区域。3)如图3所示，本实施例的气相沉积系统为离子束辅助沉积系统，离子束辅助沉积系统包括三个能够独立调节的考夫曼离子源，将固定好的衬底材料3置于离子束辅助沉积系统真空室中的样品台上；同时，在样品台上放置一块与衬底材料3相同的裸硅片，用于比较形成的完整薄膜和条纹图案薄膜的应力大小。三个考夫曼离子源中的两个作为溅射离子源轰击作为靶材6的钛铝(Ti5tlAl5tl)合金，另一个作为辅助离子源轰击衬底材料3。本实施例中离子束辅助沉积系统的本底真空度为2X10_4Pa，所用的工作气体分别为N2和Ar，其纯度均为99. 999%。溅射离子为Ar+，离子能量为3keV，束流为90mA ；辅助轰击离子为氮离子，离子能量为200eV，束流为20mA。本实施例所用的沉积时间为lh。4)将沉积有条纹图案的TiAlN薄膜的衬底材料3和沉积有完整TiAlN薄膜的裸硅片，在真空条件下自然冷却至室温后从离子束辅助沉积系统中取出；5)采用接触式形貌仪对条纹图案TiAlN薄膜和完整TiAlN薄膜表面的轮廓曲线进行测试，轮廓曲线呈圆弧形，计算出圆弧的曲率半径，并根据Stoney (人名)公式计算两薄膜的应力。其中，完整TiAlN薄膜的应力为-1. 43GPa,条纹图案TiAlN薄膜的应力为-0. 25GPa，显然，与完整薄膜相比，条纹图案的TiAlN薄膜的应力大大降低。6)对完整TiAlN薄膜和条纹图案TiAlN薄膜进行纳米划痕试验，当载荷从OmN增加到最终载荷112mN的过程中，条纹图案TiAlN薄膜表面没有出现裂纹、无膜层破裂；而当载荷加载至106mN时，完整TiAlN薄膜表面发生了破裂，并伴随有部分薄膜脱落；说明条纹图案TiAlN薄膜的结合力比完整TiAlN薄膜的结合力好。7)将完整TiAlN薄膜和条纹图案TiAlN薄膜在UMT摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，对偶件为GCrl5钢球，所加的载荷为1N，采取往复运动的方式，冲程为3. 5mm，频率为1Hz，摩擦时间为IOmin ；在干摩擦、水润滑和液体石蜡润滑条件下，条纹图案TiAlN薄膜的磨损程度比完整TiAlN薄膜的磨损程度轻。实施例2 1)采用70mmX50mmX0. 2mm的lCrl8Ni9Ti不锈钢板作为掩模板1，在其上采用刻蚀法制备圆形图案(如图4所示)和正方形图案(如图5所示)，其中，圆形图案7的直径为6mm，圆形图案7的面积率为60 %，正方形图案8的尺寸为5mmX 5mm，正方形图案8的面积率为70%。并在掩模板1上加工出用于固定的安装孔5。另取一厚度为Imm的ICrlSNiOTi 不锈钢板作为底板2，底板2与掩模板1外框尺寸相同，在不锈钢底板2上加工与掩模板1 上位置及尺寸相同的安装孔。2)取厚度为0. 5mm,外框尺寸小于掩模板1的ICrlSNiOTi不锈钢片作为待沉积薄膜的衬底材料3。将掩模板1、底板2和衬底材料3分别按顺序在石油醚、丙酮、无水乙醇中超声清洗各lOmin，取出自然晾干；将衬底材料3放置在掩模板1和底板2之间，在掩模板 1和底板2相对设置的各通孔5中插入螺栓，并用螺母在另一端固定，以保证衬底材料3夹在掩模板1与底板2之间，结合紧密、无缝隙，此时透过掩模板1的圆形图案7或正方形图案8只暴露出需要沉积薄膜的区域，而遮挡住了衬底材料3表面不需要沉积薄膜的区域。3)本实施例的气相沉积系统为多弧离子镀系统，沉积的硬质薄膜材料为TiN薄膜。将固定好的ICrlSMOTi不锈钢衬底材料3悬挂在多弧离子镀系统中的工件架上，同时， 在工件架上悬挂一块与不锈钢衬底材料3相同的ICrlSNiOTi不锈钢裸片，用于比较形成的完整薄膜和图案化薄膜的应力大小。所用的多弧离子镀靶材6为钛(Ti)，多弧离子镀系统的本底真空度为4. 6X 10_3Pa，真空室中通入的气体为N2和Ar的混合气体，N2和Ar的纯度均为99. 999%,总气压为0. 6Pa，N2分压为0. 5Pa。不锈钢衬底材料3上的偏压为-100V，弧电流为70A，沉积时间为20min。4)将沉积有圆形图案7、正方形图案8的TiN薄膜的不锈钢衬底材料3和沉积有完整TiN薄膜的不锈钢片，在真空条件下自然冷却至室温后从多弧离子镀系统中取出；5)采用接触式形貌仪分别对具有圆形图案7、正方形图案8的TiN薄膜和完整 TiN薄膜表面的轮廓曲线进行测试，轮廓曲线呈圆弧形，计算出圆弧的曲率半径，并根据 Stoney(AS)公式计算薄膜的应力。其中，完整TiN薄膜应力为_5· 98GPa、圆形图案7TiN 薄膜应力为-2. 02GPa、正方形图案STiN薄膜的应力为_2. 44GPa。显然与完整薄膜相比，圆形图案7和正方形图案8的TiN薄膜的应力均明显降低。6)对完整TiN薄膜和具有圆形图案7的TiN薄膜、正方形图案8的TiN薄膜按实施例1中的方法进行纳米划痕试验和摩擦磨损试验，具有圆形图案7的TiN薄膜和正方形图案8的TiN薄膜的结合力和耐磨损性能均优于完整TiN薄膜。上述各实施例中，步骤3)中使用的气相沉积系统均为物理气相沉积系统，除此以外还可以使用溅射沉积系统、蒸发沉积系统等其它物理气相沉积系统。另外步骤3)中使用的气相沉积系统还可以是各种化学气相沉积系统，比如，热丝化学气相沉积系统、等离子增强化学气相沉积系统等等。上述实施例中，掩模板的图案可以是长条形、方形、多边形、圆形、椭圆形、三角形、 网格等，或者是上述任意图案的组合。上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
权利要求
1.一种降低硬质薄膜应力的薄膜制备方法，其包括以下步骤1)加工具有图案的掩模板，并加工与掩模板外形尺寸相对应的底板；2)清洗掩模板、底板和衬底材料，并将衬底材料固定在掩模板和底板之间，使衬底材料表面只暴露出与掩模板上的图案对应的表面；3)将固定好的衬底材料置于气相沉积系统的真空室中，在衬底材料上沉积与掩模板上图案对应的硬质薄膜；4)将沉积有图案的硬质薄膜的衬底材料，继续在气相沉积系统的真空条件下自然冷却至室温后取出，即完成图案硬质薄膜的制备。
2.如权利要求1所述的一种降低硬质薄膜应力的薄膜制备方法，其特征在于所述步骤3)中的气相沉积系统为物理气相沉积系统。
3.如权利要求1所述的一种降低硬质薄膜应力的薄膜制备方法，其特征在于所述步骤3)中的气相沉积系统为化学气相沉积系统。
4.如权利要求1或2或3所述的一种降低硬质薄膜应力的薄膜制备方法，其特征在于 所述掩模板的图案为长条形、方形、多边形、圆形、椭圆形、三角形、网格中的一种或两种以上图案的组合。
全文摘要
本发明涉及一种降低硬质薄膜应力的薄膜制备方法，其包括以下步骤1)加工具有图案的掩模板，并加工与掩模板外形尺寸相对应的底板；2)清洗掩模板、底板和衬底材料，并将衬底材料固定在掩模板和底板之间，使衬底材料表面只暴露出与掩模板上的图案对应的表面；3)将固定好的衬底材料置于气相沉积系统的真空室中，在衬底材料上沉积与掩模板上图案对应的硬质薄膜；4)将沉积有图案的硬质薄膜的衬底材料，继续在气相沉积系统的真空条件下自然冷却至室温后取出，即完成图案化硬质薄膜的制备。本发明图案化硬质薄膜的残余应力得到了较好的释放，提高了硬质薄膜的结合力和耐磨损性能。本发明可广泛用于工业涂层和刀具涂层行业中。
文档编号C23C14/04GK102242336SQ20111017430
公开日2011年11月16日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者张远月, 王喜眉, 邵天敏 申请人:清华大学