氮气流量对磁控溅射TiN膜层色泽的影响

吕长东， 黄美东， 刘 野， 许世鹏， 薛 利

(天津师范大学物理与电子信息学院，天津 300387)

引 言

TiN硬质薄膜的出现，成倍地提高了刀具的切削寿命，获得很好的加工精度和生产效率，在机械加工行业获得了广泛的应用［1-5］。事实上，TiN镀层在装饰行业也有着广阔的应用，占据着重要的地位，这是因为TiN不仅具有较好的耐磨性和耐蚀性，而且通常为金黄色，是理想的仿金装饰膜。目前通常采用电弧离子镀膜方式将TiN镀制在金属基体上作仿金装饰，已有部分镀膜工艺参数对镀层颜色的影响方面的报道［6-8］。但电弧离子镀膜过程中由于高温电弧对靶材燃烧时通常喷溅出液滴而在镀层表面形成大颗粒污染，在一定程度上影响色泽和表面粗糙度，此外，镀膜时基体温度较高，限制了TiN薄膜用于装饰镀的应用范围。磁控溅射是新兴的一种物理气相沉积(PVD)镀膜方法，与电弧离子镀相比，该方法沉积温度低，得到的薄膜表面光滑，很适合于装饰镀膜，装饰TiN大都用于仿金镀，镀层颜色比较单一。为了满足日益增强的彩色装饰镀膜的市场需求，本研究考察氮气流量对反应磁控溅射TiN膜层色泽的影响，旨在通过改变氮气流量获得生产实际中所需要的膜层色泽。

1 实验方法

在国产SA-6T型离子镀膜机上利用直流磁控溅射方法制备试样。试样尺寸15mm×10mm×10mm，基体材料为W18Cr4V高速钢，首先用砂纸打磨，然后抛光至试样表面呈镜面光泽。将试样浸入酒精溶液中超声清洗20min，用丙酮溶液浸浴，吹风机烘干。然后将试样固定在真空沉积室的试样架上进行镀膜。镀膜前背底真空抽至3mPa，并对表面进行离子轰击清洗3min。

在不同氮气流量下镀制TiN薄膜样品。镀膜过程中工艺参数为固定溅镀源功率为400W，偏压为0V，沉积 t为 20min，N2流量分别为 0.98、1.40、3.32、3.68 和 3.95cm3/s。

通过SHIMADZU SSX-550型扫描电子显微镜观测样品的表面形貌。用WGS-9型色度计测定薄膜表面的色度，该系统采用国际照明委员会(CIE)规定的标准色度系统来测定物体的色度。在理论上采用平面直角色度坐标来定量表示颜色:

2 结果与讨论

2.1 表面形貌

通过扫描电子显微镜(SEM)在放大1000倍下观察TiN薄膜表面形貌，虽然通过N2流量不同，但5个样品表面形貌基本相同，图1只显示了4号样品的SEM照片。由图1照片可以看出，薄膜质量良好，平整、致密，无明显的孔洞存在，也没有电弧离子镀薄膜表面的大颗粒污染［9-10］。这种光洁的表面具有良好的反光性能，对其色泽的均匀性非常有益。

图1 4号样品SEM照片

2.2 颜 色

在不同氮气流量条件下，获得TiN薄膜的颜色有明显差异。这是因为氮气是反应气体，在镀膜过程中氮气流量变化时，参与成膜的N原子和Ti原子的组分发生改变，TiN膜层的组织和颜色也都随之变化［11］。当氮气流量很小时，N2和Ti反应不充分，主要生成α-Ti相，α-Ti为银白色，样品颜色为银白色;随着氮气流量的增加，N2和Ti反应充分，具有浅黄色的ε-Ti2N相和深黄色的α-TiN相的比例逐渐增多，薄膜表面颜色也逐渐变为金黄色。当氮气过量时，颜色为蓝色和紫色。利用色度计对不同氮气流量时TiN薄膜试样色度测试，结果见表1。

表1 TiN薄膜色度测试结果

根据表1TiN薄膜色度测试结果可以看出，N2的流量对薄膜颜色的影响很大。随着氮气流量的增加，TiN薄膜的色度由浅变深。可见，调节和控制氮气流量，可以获得所需要的薄膜颜色，这一技术可以广泛应用于彩色装饰镀膜。

3 结论

在国产SA-6T型离子镀设备上，通过改变氮气流量，利用直流磁控溅射方法可制备出不同颜色的TiN薄膜。要想获得某一种或多层颜色的装饰镀层，只需要调节氮气流量这一工艺参数，简单可行，有望广泛应用于彩色装饰镀膜行业。

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