单层和多层中的应力和分层控制

引言

类金刚石碳(DLC)膜具有诸如高硬度和低摩擦系数的优异特性，并且在切削工具、金属模具和机器部件中具有应用。不幸的是，它们通常表现出低粘合强度由于高的内部压缩应力，导致从衬底上剥离。英思特已经尝试了各种方法来降低内应力，包括引入附加元素如硅和氮、金属、陶瓷和DLC脉冲偏压等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和过滤阴极真空电弧(FCVA)。在这项工作中，英思特对FCVA和放射性两种沉积方法获得的固有应力值进行了比较频率(RF)等离子体化学气相沉积(CVD)。

实验与讨论

英思特采用射频等离子体化学气相沉积和衬底偏压电源制备了单层和多层碳膜，衬底偏压电源在30kV高压下工作，脉冲偏压持续时间为400μs，重复频率为60 Hz。

有两个因素影响FCVA沉积速率:(1)有助于电弧稳定的氩气流速，和(2)施加到连接到阴极电弧的导管过滤线圈上的偏压(过滤强度)。对于这两种沉积方法，我们沉积了厚度约为200-300纳米的碳膜，从由FCVA系统沉积的膜获得的应力值的不确定性在较小程度上是由于膜的均匀性和粗糙度引起的。

从FCVA系统沉积的膜中容易获得膜厚度值，而难以确定由RF等离子体系统沉积的类似厚度的DLC膜的膜厚度。然而，在两种沉积方法中，应力值显示出先增大后减小的趋势，峰值在大约150V负偏压处。

根据固有应力与施加的偏置电压之间的关系，英思特定制了一个多层结构，由一层吸收其他层的过度内应力组成。图1显示了典型的高应力膜，其在沉积后几乎立即分层。然而，在脱层12小时后，添加了额外的吸收层，该额外的吸收层阻止了其进一步脱层。

图1：典型类金刚石薄膜脱层的演示

我们通过进行销压和洛氏硬度压痕试验来呈现磨损、粘附和硬度结果。将优化的结构沉积在25个TiN通用麻花钻(GPT)上，并将附着力、洛氏硬度压痕和寿命性能测试的结果与未处理的TiN GPT钻头进行比较。在未涂覆和涂覆的DLC之间，洛氏硬度分别从50HRC增加到70HRC。

如图2所示，基于当球形金刚石压头尖端被压入涂覆在GPT钻头顶部的碳膜中时通过光学显微镜观察到的变形，膜在钻头上的粘附强度可以通过变形边缘周围的脱层环来确定。环越厚，薄膜分层越严重，粘合强度越差。因此，为了获得高粘附强度和高硬度，薄膜必须尽可能减少压痕区域周围的分层。

图2：光学显微镜观察确定薄膜粘附强度

结论

英思特研究了等离子体沉积系统制备的单层和多层薄膜的内应力。尽管沉积速率存在差异，但在两种方法中观察到相似的趋势，其中内在应力在大约150 V处达到峰值。由150 V的衬底偏压产生的高应力膜立即分层，然而，利用低应力的额外控制层，该问题可以被克服。我们通过来自压痕和性能测试的证据表明，DLC涂层中的应力控制导致更强的粘附强度和更好的寿命性能。