一种高质量TiN薄膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高质量的TiN薄膜的制备方法，包括以下步骤：选用Ti铸锭经锻造、轧制、热处理、校平和机加工后制成钛板条；然后对其进行激光雕刻处理，并用卷圆机将雕刻后的钛板条卷圆成钛环，清洗烘干后，得到溅射钛环；以钢片作为基体，将钛环和钛钯采用导电胶粘结好作为靶材，在钢片上沉积TiN薄膜。本发明专利技术合理调节溅射工艺，使得制得的TiN薄膜致密均匀，耐磨耐腐蚀性能优异，表面光滑平整度好，与基体的结合力大，力学性能好。

Method for preparing high quality TiN film

The invention discloses a method for preparing high quality TiN thin film, which comprises the following steps: selection of Ti ingot forging, rolling, heat treatment, leveling and machining made of titanium panels; then the laser engraving process, and titanium lath after carving curling into Taihuan with rolling machine after cleaning, drying, by sputtering titanium ring; with steel as matrix, titanium and titanium palladium ring with conductive film bonding as target material, TiN thin films deposited on the steel plate. The invention reasonably regulates the sputtering process, so that the prepared TiN film is compact and uniform, has excellent abrasion resistance and corrosion resistance, has a smooth surface, good planeness, a good adhesion with the substrate and good mechanical property.

【技术实现步骤摘要】
一种高质量TiN薄膜的制备方法
：本专利技术涉及磁控溅射制膜领域，具体的涉及一种高质量TiN薄膜的制备方法。
技术介绍
：物理气相沉积(PVD)制备TiN涂层是应用最广泛的一种表面强化技术。由于TiN涂层具有高硬度、高粘着强度、低摩擦系数、抗腐蚀性好等特点，已广泛应用于各个领域，特别是在工具行业。20世纪70年代TiN涂层成功地用于刀具钻头等工具上，其使用寿命平均提高了2～10倍，引起了一场刀具革命。20世纪80年代物理气相沉积TiN涂层也在成形冲头、冲压模具上试用成功。但是由于模具的工作条件和影响因素比刀具复杂很多，致使目前条件下制备的TiN涂层在模具上的应用受到很大制约。原因主要在于一般模具钢基体较软，或者涂层与基体结合力不够，涂层在制备的过程中内应力较大等缺点，在工作中钢基体不能有力支撑TiN涂层而发生早期破坏。中国专利(201110425176.8)申请日2011.12.16，公开了一种超厚TiN-TiCN多层复合薄膜材料的制备方法，具体步骤为：以单晶硅片或钢片作为基材，在氩气流量为20-40sccm，靶材与基片的距离为10-15cm，初始腔室温度在30-40℃，直流电流为2-4sccm，占空比河负偏压分别为60-80％和0-100W的条件下，通过渐变地调节氨气和甲烷流量，溅射纯钛靶，制得厚度为9.5-24.0μm的TiN-TiCN交替叠加的多层复合薄膜，沉积时间为100-260min，该薄膜致密均匀，表面光滑，弹性好，附着性好，硬度大，抗磨损性能好，但是其制备的过程中用到甲烷气体，其易燃，在实验操作中不易控制，且制备的过程中为了控制TiN、TiCN各层的厚度，需要严格调节氨气与甲烷的比例，这就增加了制备的难度。
技术实现思路
：本专利技术的目的是提供一种高质量的TiN薄膜的制备方法，其硬度大、表面质量好，耐磨，与基体结合强度大。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种高质量的TiN薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)选用纯度为99.95％以上的Ti铸锭经锻造、轧制、热处理、校平和机加工后制成钛板条；然后用丙硝酸和氢氟酸组成的混合酸清洗，再依次用去离子水、无水乙醇清洗，真空干燥；然后用激光雕刻钛板条各表面；最后用卷圆机将雕刻后的钛板条卷圆成钛环，清洗烘干后，得到溅射钛环；(2)采用钢片作为基体，在制备氮化钛薄膜前，将钢片依次浸泡到洗涤剂和丙酮中，超声震荡5-15min，后取出，采用乙醇和去离子水清洗，真空干燥，待用；(3)将钛环和钛钯采用导电胶粘结好作为靶材，将预处理后的钢片安装在溅射室内的样品台上，并将上述靶材安装在溅射靶台上；对溅射室进行抽真空处理，并利用电阻加热器对样品台进行加热，单独向溅射室内通入氩气和氮气，经闸板阀调节溅射室内气压为1.0Pa，经外加电压等离子化后，调节各工艺参数，在钢片上沉积TiN薄膜。作为上述技术方案的优选，所述轧制的条件为：轧制张力为35-63MPa，道次变形量为10-20％，轧制总变形量为55-75％。作为上述技术方案的优选，所述热处理的条件为：温度880-1200℃，保温时间0.5-2h。作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，校平后平面度≤1mm，机加工后钛板条平面度≤0.3mm，表面粗糙度≤1.6μm。作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述激光雕刻的条件为：激光器脉冲宽度10-100ns，脉冲频率20-100kHz，激光平均功率为20-200W，雕刻线速度为1000-3000mm/s，雕刻时分层雕刻，每层厚度为0.05-0.2mm。作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述钛钯为圆柱形，其直径与钛环的内径相同。作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述抽真空至溅射室内的真空度为(1-6)×10-6Pa，电阻加热器对样品台进行加热至50-260℃。作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，溅射功率为20-80W，电压为0.2-0.4KV，溅射时间为40-160min。作为上述技术方案的优选，步骤(3)中氮气和氩气的流量分别为：Ar30-50cm3/min，N215-40cm3/min。作为上述技术方案的优选，所制备TiN薄膜的厚度为0.1-4μm。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)钢片表面的TiN薄膜在大多数应用场合，镀层总是受到较高的载荷力，它能否抵抗弹性和塑性变形不剥落是要考虑的最重要的条件，因此提高氮化钛薄膜与基体的结合力是至关重要的，目前主要的方法是在氮化钛薄膜在基体之间镀一层钛膜作为过渡层，过渡层可以有效降低界面处的内应力，同时阻碍界面区位错和裂纹的扩展。但是该方法制得的镀膜比较厚，力学性能不佳，而本专利技术采用自制的钛环和纯钛靶作为靶材，溅射通电后产生磁场，钛环可以有效约束溅射粒子的运动轨迹，且钛环表面的纹路对溅射出的大颗粒产生吸附，从而提高薄膜的质量；(2)本专利技术合理调节溅射的工艺条件，使得制得的TiN薄膜的均匀性好，致密，与基体界面结合力好，表面平整度高，沉积速率高，制备成本低。具体实施方式：为了更好的理解本专利技术，下面通过实施例对本专利技术进一步说明，实施例只用于解释本专利技术，不会对本专利技术构成任何的限定。实施例1一种高质量的TiN薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)选用纯度为99.95％以上的Ti铸锭经锻造、轧制、热处理、校平和机加工后制成钛板条；然后用丙硝酸和氢氟酸组成的混合酸清洗，再依次用去离子水、无水乙醇清洗，真空干燥；然后用激光雕刻钛板条各表面；最后用卷圆机将雕刻后的钛板条卷圆成钛环，清洗烘干后，得到溅射钛环；其中，轧制的条件为：轧制张力为35MPa，道次变形量为10％，轧制总变形量为55％；热处理的条件为：温度880℃，保温时间0.5h；光雕刻的条件为：激光器脉冲宽度10ns，脉冲频率20kHz，激光平均功率为20W，雕刻线速度为1000mm/s，雕刻时分层雕刻，每层厚度为0.05mm；(2)采用钢片作为基体，在制备氮化钛薄膜前，将钢片依次浸泡到洗涤剂和丙酮中，超声震荡5min，后取出，采用乙醇和去离子水清洗，真空干燥，待用；(3)将钛环和钛钯采用导电胶粘结好作为靶材，将预处理后的钢片安装在溅射室内的样品台上，并将上述靶材安装在溅射靶台上；对溅射室进行抽真空处理至溅射室的真空度为1×10-6Pa，并利用电阻加热器对样品台进行加热至50℃，单独向溅射室内通入氩气和氮气，经闸板阀调节溅射室内气压为1.0Pa，经外加电压等离子化后，调节各工艺参数，在钢片上沉积TiN薄膜；其中，溅射功率为20W，电压为0.2KV，溅射时间为40min；氮气和氩气的流量分别为：Ar30cm3/min，N215cm3/min；TiN薄膜的厚度为0.1μm。实施例2一种高质量的TiN薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)选用纯度为99.95％以上的Ti铸锭经锻造、轧制、热处理、校平和机加工后制成钛板条；然后用丙硝酸和氢氟酸组成的混合酸清洗，再依次用去离子水、无水乙醇清洗，真空干燥；然后用激光雕刻钛板条各表面；最后用卷圆机将雕刻后的钛板条卷圆成钛环，清洗烘干后，得到溅射钛环；其中，轧制的条件为：轧制张力为63MPa，道次变形量为20％，轧制总变形量为75％；热处理的条件为：温度1200℃，保温时间2h；光雕刻的条件为：激光器脉冲宽度1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高质量的TiN薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)选用纯度为99.95％以上的Ti铸锭经锻造、轧制、热处理、校平和机加工后制成钛板条；然后用丙硝酸和氢氟酸组成的混合酸清洗，再依次用去离子水、无水乙醇清洗，真空干燥；然后用激光雕刻钛板条各表面；最后用卷圆机将雕刻后的钛板条卷圆成钛环，清洗烘干后，得到溅射钛环；(2)采用钢片作为基体，在制备氮化钛薄膜前，将钢片依次浸泡到洗涤剂和丙酮中，超声震荡5‑15min，后取出，采用乙醇和去离子水清洗，真空干燥，待用；(3)将钛环和钛钯采用导电胶粘结好作为靶材，将预处理后的钢片安装在溅射室内的样品台上，并将上述靶材安装在溅射靶台上；对溅射室进行抽真空处理，并利用电阻加热器对样品台进行加热，单独向溅射室内通入氩气和氮气，经闸板阀调节溅射室内气压为1.0Pa，经外加电压等离子化后，调节各工艺参数，在钢片上沉积TiN薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种高质量的TiN薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)选用纯度为99.95％以上的Ti铸锭经锻造、轧制、热处理、校平和机加工后制成钛板条；然后用丙硝酸和氢氟酸组成的混合酸清洗，再依次用去离子水、无水乙醇清洗，真空干燥；然后用激光雕刻钛板条各表面；最后用卷圆机将雕刻后的钛板条卷圆成钛环，清洗烘干后，得到溅射钛环；(2)采用钢片作为基体，在制备氮化钛薄膜前，将钢片依次浸泡到洗涤剂和丙酮中，超声震荡5-15min，后取出，采用乙醇和去离子水清洗，真空干燥，待用；(3)将钛环和钛钯采用导电胶粘结好作为靶材，将预处理后的钢片安装在溅射室内的样品台上，并将上述靶材安装在溅射靶台上；对溅射室进行抽真空处理，并利用电阻加热器对样品台进行加热，单独向溅射室内通入氩气和氮气，经闸板阀调节溅射室内气压为1.0Pa，经外加电压等离子化后，调节各工艺参数，在钢片上沉积TiN薄膜。2.如权利要求1所述的一种高质量TiN薄膜的制备方法，其征在于，步骤(1)中，所述轧制的条件为：轧制张力为35-63MPa，道次变形量为10-20％，轧制总变形量为55-75％。3.如权利要求1所述的一种高质量TiN薄膜的制备方法，其征在于，步骤(1)中，所述热处理的条件为：温度880-1200℃，保温时间0.5-2h。4.如权利要求1所述的一种高...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭和谦，
申请(专利权)人：郭和谦，
类型：发明
国别省市：广东,44