專利名稱：一種降低硬質薄膜應力的薄膜制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種薄膜的制作方法，特別是關于一種降低硬質薄膜應力的薄膜制備方法。
背景技術：
一般硬質薄膜(比如TiN、TiAlN、TiCN、CrN、金剛石、立方氮化硼等)具有硬度高、 耐磨性好、化學性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化等優(yōu)異的性能，在切削刀具和耐磨零部件等領域有著廣泛的應用。目前，制備硬質涂層的主要技術是氣相沉積，包括物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)。其中，PVD技術又包括電弧離子鍍、磁控濺射、離子束輔助沉積等。在硬質薄膜的各種制備方法中，普遍使用荷能粒子對襯底材料表面進行轟擊，同時在沉積過程中往往伴隨有熱效應過程，這都會使得所制備的硬質薄膜中存在較高的應力。硬質薄膜中高的應力一方面會影響硬質薄膜與襯底材料的結合力，另一方面在后期的使用過程中易萌生裂紋而導致硬質薄膜失效、甚至脫落，從而不能較好地滿足工業(yè)涂層和刀具涂層的需要。因此，降低硬質薄膜的應力對于其應用有著非常重要的意義。為了降低硬質薄膜的應力，提高薄膜與襯底的結合力，研究人員采用各種手段來降低硬質薄膜的應力，如增加過渡層或緩沖層、提高沉積溫度或進行退火處理、降低轟擊粒子的能量等，這些方法雖然在一定程度上降低了薄膜的應力，但是往往也會削弱薄膜的其它性能。比如，通過在襯底和硬質薄膜間增加相應的金屬軟膜層作為緩和層時，因金屬軟膜層的變形吸收部分應變，使得應力得到釋放，從而提高了結合力；但是，由于金屬層較軟，而使復合膜層整體的硬度有所降低。

發(fā)明內容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠降低硬質薄膜應力的薄膜制備方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案一種降低硬質薄膜應力的薄膜制備方法，其包括以下步驟1)加工具有圖案的掩模板，并加工與掩模板外形尺寸相對應的底板；2)清洗掩模板、底板和襯底材料，并將襯底材料固定在掩模板和底板之間，使襯底材料表面只暴露出與掩模板上的圖案對應的表面；3)將固定好的襯底材料置于氣相沉積系統(tǒng)的真空室中，在襯底材料上沉積與掩模板上圖案對應的硬質薄膜；4)將沉積有圖案的硬質薄膜的襯底材料，繼續(xù)在氣相沉積系統(tǒng)的真空條件下自然冷卻至室溫后取出，即完成圖案硬質薄膜的制備。所述步驟3)中的氣相沉積系統(tǒng)為物理氣相沉積系統(tǒng)，其包括離子束輔助沉積系統(tǒng)、濺射沉積系統(tǒng)、離子鍍沉積系統(tǒng)和蒸發(fā)沉積系統(tǒng)中的一種。所述步驟3)中的氣相沉積系統(tǒng)為化學氣相沉積系統(tǒng)，其包括熱絲化學氣相沉積系統(tǒng)和等離子增強化學氣相沉積系統(tǒng)中的一種。所述掩模板的圖案為長條形、方形、多邊形、圓形、橢圓形、三角形、網格中的一種或兩種以上圖案的組合。
本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明方法首先將待沉積的襯底材料表面用掩模板遮擋部分區(qū)域，只暴露出具有設計圖案的襯底材料表面，再采用氣相沉積技術制備硬質薄膜，最終獲得圖案化的硬質薄膜，從而有效地降低了硬質薄膜的應力。2、本發(fā)明方法由于利用掩模板沉積技術制備圖案化硬質薄膜的方式，實現(xiàn)了硬質薄膜殘余應力的釋放，能有效降低硬質薄膜的應力。3、本發(fā)明由于用掩模板遮擋住的未沉積薄膜的區(qū)域，為硬質薄膜在沉積過程中提供了應力的釋放空間，使硬質薄膜在沉積生長的同時，其應力就得到了很好的釋放，不需要額外的步驟，本發(fā)明方法簡便易行。4、按照本發(fā)明制備的圖案化硬質薄膜，在應力得到釋放的同時，其與襯底材料表面的結合力和耐磨損性能均得到提高。本發(fā)明可以廣泛用于工業(yè)涂層和刀具涂層行業(yè)中。


圖1是本發(fā)明制備圖案化硬質薄膜流程框2是本發(fā)明掩模板示意3是本發(fā)明圖案化硬質薄膜沉積過程示意4是本發(fā)明實施例2中圓形圖案掩模板的示意5是本發(fā)明實施例2中方形圖案掩模板的示意圖
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。如圖1 圖3所示，本發(fā)明是采取一種將薄膜圖案化來降低硬質薄膜應力的方法， 該圖案化硬質薄膜的制備方法包括以下步驟1)設計加工具有圖案的掩模板1，制備用于固定的底板2和待沉積的襯底材料3 ；2)清洗掩模板1、底板2和襯底材料3，并將襯底材料3固定在掩模板1和底板2 之間，使襯底材料3表面透過掩模板1只暴露出與設計圖案相應的區(qū)域，而遮住設計圖案以外的區(qū)域；3)將固定好的襯底材料3置于氣相沉積系統(tǒng)中，在襯底材料3上沉積形成與設計圖案相應的硬質薄膜，沉積時間根據(jù)沉積方法、待沉積材料、沉積工藝參數(shù)和所預先設計的薄膜厚度而定；4)將沉積有設計圖案的硬質薄膜的襯底材料3在氣相沉積系統(tǒng)中自然冷卻至室溫后取出，即完成在襯底材料3表面圖案化硬質薄膜的制備。實施例1 1)采用70mmX50mmX0. 2mm的lCrl8Ni9Ti不銹鋼板作為掩模板1，在其上采用刻蝕法制備條紋圖案4(如圖2所示)，其中，條紋寬度為2mm，條紋與條紋之間的間距為2mm， 條紋圖案4的面積率為50%。在掩模板1的兩端邊緣處加工出用于固定的安裝孔5。另取一厚度為Imm的lCrl8M9Ti不銹鋼板作為底板2，底板2與掩模板1外框尺寸相同，在不銹鋼底板2上加工與掩模板1上位置及尺寸相同的安裝孔。2)取厚度為385 500 μ m,外框尺寸小于掩模板1的硅片作為待沉積薄膜的襯底材料3，將掩模板1、底板2和襯底材料3分別按順序在石油醚、丙酮、無水乙醇中超聲清洗各lOmin，取出自然晾干；將襯底材料3放置在掩模板1和底板2之間，在掩模板1和底板2相對設置的各通孔5中插入螺栓，并用螺母在另一端固定，以保證襯底材料3夾在掩模板 1與底板2之間，結合緊密、無縫隙。此時透過掩模板1的條紋圖案4只暴露出需要沉積薄膜的區(qū)域，而遮擋住了襯底材料3表面不需要沉積薄膜的區(qū)域。3)如圖3所示，本實施例的氣相沉積系統(tǒng)為離子束輔助沉積系統(tǒng)，離子束輔助沉積系統(tǒng)包括三個能夠獨立調節(jié)的考夫曼離子源，將固定好的襯底材料3置于離子束輔助沉積系統(tǒng)真空室中的樣品臺上；同時，在樣品臺上放置一塊與襯底材料3相同的裸硅片，用于比較形成的完整薄膜和條紋圖案薄膜的應力大小。三個考夫曼離子源中的兩個作為濺射離子源轟擊作為靶材6的鈦鋁(Ti5tlAl5tl)合金，另一個作為輔助離子源轟擊襯底材料3。本實施例中離子束輔助沉積系統(tǒng)的本底真空度為2X10_4Pa，所用的工作氣體分別為N2和Ar，其純度均為99. 999%。濺射離子為Ar+，離子能量為3keV，束流為90mA ；輔助轟擊離子為氮離子，離子能量為200eV，束流為20mA。本實施例所用的沉積時間為lh。4)將沉積有條紋圖案的TiAlN薄膜的襯底材料3和沉積有完整TiAlN薄膜的裸硅片，在真空條件下自然冷卻至室溫后從離子束輔助沉積系統(tǒng)中取出；5)采用接觸式形貌儀對條紋圖案TiAlN薄膜和完整TiAlN薄膜表面的輪廓曲線進行測試，輪廓曲線呈圓弧形，計算出圓弧的曲率半徑，并根據(jù)Stoney (人名)公式計算兩薄膜的應力。其中，完整TiAlN薄膜的應力為-1. 43GPa,條紋圖案TiAlN薄膜的應力為-0. 25GPa，顯然，與完整薄膜相比，條紋圖案的TiAlN薄膜的應力大大降低。6)對完整TiAlN薄膜和條紋圖案TiAlN薄膜進行納米劃痕試驗，當載荷從OmN增加到最終載荷112mN的過程中，條紋圖案TiAlN薄膜表面沒有出現(xiàn)裂紋、無膜層破裂；而當載荷加載至106mN時，完整TiAlN薄膜表面發(fā)生了破裂，并伴隨有部分薄膜脫落；說明條紋圖案TiAlN薄膜的結合力比完整TiAlN薄膜的結合力好。7)將完整TiAlN薄膜和條紋圖案TiAlN薄膜在UMT摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損試驗，對偶件為GCrl5鋼球，所加的載荷為1N，采取往復運動的方式，沖程為3. 5mm，頻率為1Hz，摩擦時間為IOmin ；在干摩擦、水潤滑和液體石蠟潤滑條件下，條紋圖案TiAlN薄膜的磨損程度比完整TiAlN薄膜的磨損程度輕。實施例2 1)采用70mmX50mmX0. 2mm的lCrl8Ni9Ti不銹鋼板作為掩模板1，在其上采用刻蝕法制備圓形圖案(如圖4所示)和正方形圖案(如圖5所示)，其中，圓形圖案7的直徑為6mm，圓形圖案7的面積率為60 %，正方形圖案8的尺寸為5mmX 5mm，正方形圖案8的面積率為70%。并在掩模板1上加工出用于固定的安裝孔5。另取一厚度為Imm的ICrlSNiOTi 不銹鋼板作為底板2，底板2與掩模板1外框尺寸相同，在不銹鋼底板2上加工與掩模板1 上位置及尺寸相同的安裝孔。2)取厚度為0. 5mm,外框尺寸小于掩模板1的ICrlSNiOTi不銹鋼片作為待沉積薄膜的襯底材料3。將掩模板1、底板2和襯底材料3分別按順序在石油醚、丙酮、無水乙醇中超聲清洗各lOmin，取出自然晾干；將襯底材料3放置在掩模板1和底板2之間，在掩模板 1和底板2相對設置的各通孔5中插入螺栓，并用螺母在另一端固定，以保證襯底材料3夾在掩模板1與底板2之間，結合緊密、無縫隙，此時透過掩模板1的圓形圖案7或正方形圖案8只暴露出需要沉積薄膜的區(qū)域，而遮擋住了襯底材料3表面不需要沉積薄膜的區(qū)域。3)本實施例的氣相沉積系統(tǒng)為多弧離子鍍系統(tǒng)，沉積的硬質薄膜材料為TiN薄膜。將固定好的ICrlSMOTi不銹鋼襯底材料3懸掛在多弧離子鍍系統(tǒng)中的工件架上，同時， 在工件架上懸掛一塊與不銹鋼襯底材料3相同的ICrlSNiOTi不銹鋼裸片，用于比較形成的完整薄膜和圖案化薄膜的應力大小。所用的多弧離子鍍靶材6為鈦(Ti)，多弧離子鍍系統(tǒng)的本底真空度為4. 6X 10_3Pa，真空室中通入的氣體為N2和Ar的混合氣體，N2和Ar的純度均為99. 999%,總氣壓為0. 6Pa，N2分壓為0. 5Pa。不銹鋼襯底材料3上的偏壓為-100V，弧電流為70A，沉積時間為20min。4)將沉積有圓形圖案7、正方形圖案8的TiN薄膜的不銹鋼襯底材料3和沉積有完整TiN薄膜的不銹鋼片，在真空條件下自然冷卻至室溫后從多弧離子鍍系統(tǒng)中取出；5)采用接觸式形貌儀分別對具有圓形圖案7、正方形圖案8的TiN薄膜和完整 TiN薄膜表面的輪廓曲線進行測試，輪廓曲線呈圓弧形，計算出圓弧的曲率半徑，并根據(jù) Stoney(AS)公式計算薄膜的應力。其中，完整TiN薄膜應力為_5· 98GPa、圓形圖案7TiN 薄膜應力為-2. 02GPa、正方形圖案STiN薄膜的應力為_2. 44GPa。顯然與完整薄膜相比，圓形圖案7和正方形圖案8的TiN薄膜的應力均明顯降低。6)對完整TiN薄膜和具有圓形圖案7的TiN薄膜、正方形圖案8的TiN薄膜按實施例1中的方法進行納米劃痕試驗和摩擦磨損試驗，具有圓形圖案7的TiN薄膜和正方形圖案8的TiN薄膜的結合力和耐磨損性能均優(yōu)于完整TiN薄膜。上述各實施例中，步驟3)中使用的氣相沉積系統(tǒng)均為物理氣相沉積系統(tǒng)，除此以外還可以使用濺射沉積系統(tǒng)、蒸發(fā)沉積系統(tǒng)等其它物理氣相沉積系統(tǒng)。另外步驟3)中使用的氣相沉積系統(tǒng)還可以是各種化學氣相沉積系統(tǒng)，比如，熱絲化學氣相沉積系統(tǒng)、等離子增強化學氣相沉積系統(tǒng)等等。上述實施例中，掩模板的圖案可以是長條形、方形、多邊形、圓形、橢圓形、三角形、 網格等，或者是上述任意圖案的組合。上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結構、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
權利要求
1.一種降低硬質薄膜應力的薄膜制備方法，其包括以下步驟1)加工具有圖案的掩模板，并加工與掩模板外形尺寸相對應的底板；2)清洗掩模板、底板和襯底材料，并將襯底材料固定在掩模板和底板之間，使襯底材料表面只暴露出與掩模板上的圖案對應的表面；3)將固定好的襯底材料置于氣相沉積系統(tǒng)的真空室中，在襯底材料上沉積與掩模板上圖案對應的硬質薄膜；4)將沉積有圖案的硬質薄膜的襯底材料，繼續(xù)在氣相沉積系統(tǒng)的真空條件下自然冷卻至室溫后取出，即完成圖案硬質薄膜的制備。
2.如權利要求1所述的一種降低硬質薄膜應力的薄膜制備方法，其特征在于所述步驟3)中的氣相沉積系統(tǒng)為物理氣相沉積系統(tǒng)。
3.如權利要求1所述的一種降低硬質薄膜應力的薄膜制備方法，其特征在于所述步驟3)中的氣相沉積系統(tǒng)為化學氣相沉積系統(tǒng)。
4.如權利要求1或2或3所述的一種降低硬質薄膜應力的薄膜制備方法，其特征在于 所述掩模板的圖案為長條形、方形、多邊形、圓形、橢圓形、三角形、網格中的一種或兩種以上圖案的組合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種降低硬質薄膜應力的薄膜制備方法，其包括以下步驟1)加工具有圖案的掩模板，并加工與掩模板外形尺寸相對應的底板；2)清洗掩模板、底板和襯底材料，并將襯底材料固定在掩模板和底板之間，使襯底材料表面只暴露出與掩模板上的圖案對應的表面；3)將固定好的襯底材料置于氣相沉積系統(tǒng)的真空室中，在襯底材料上沉積與掩模板上圖案對應的硬質薄膜；4)將沉積有圖案的硬質薄膜的襯底材料，繼續(xù)在氣相沉積系統(tǒng)的真空條件下自然冷卻至室溫后取出，即完成圖案化硬質薄膜的制備。本發(fā)明圖案化硬質薄膜的殘余應力得到了較好的釋放，提高了硬質薄膜的結合力和耐磨損性能。本發(fā)明可廣泛用于工業(yè)涂層和刀具涂層行業(yè)中。
文檔編號C23C14/04GK102242336SQ20111017430
公開日2011年11月16日 申請日期2011年6月24日 優(yōu)先權日2011年6月24日
發(fā)明者張遠月, 王喜眉, 邵天敏 申請人:清華大學