Ảnh hưởng của mật độ và năng lượng ion đến tính chất của màng Ti-DLC phủ bằng phương pháp plasma tăng cường

ThS. NCS. Lê Văn An Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh PGS. TS. Bùi Xuân Lâm Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh Người phản biện: TS. Lê Văn Vang PGS. TS. Phan Văn Quân

Tóm tắt: Việc oanh tạc của các ion lên bề mặt màng trong quá trình phủ màng bằng phương pháp plasma có thể ảnh hưởng nhiều đến tính chất của màng carbon giống kim cương (DLC) cũng như các màng composite có nền cac-bon giống kim cương. Mức độ oanh tạc của các ion có thể được gia tăng bằng 2 cách. Thứ nhất là tăng thế điện trên vật cần phủ (đế). Thứ hai là sử dụng các cuộn dây điện từ (UBM-coils) được bố trí trên các cathode nhằm tăng mức độ tập trung electron, từ đó tăng mật độ ion đến bề mặt màng trong quá trình phủ. Bài báo trình bày ảnh hưởng của cường độ plasma do thay đổi dòng điện trên cuộn dây đến các tính chất của màng Ti-DLC phủ bằng phương pháp plasma hóa học.

Từ khóa: Cường độ plasma, tính chất màng Ti-DLC phủ, plasma hóa học.

Abstract: The intensity of ion bombardment strongly influences on the properties of diamond-like carbon (DLC) and diamond-like carbon based composite thin films. The bombardment intensity can be increased by two ways: increasing substrate bias voltage or using UBM-coils, which are installed at the cathodes. The UBM-coils increases the flux of ions due to entrapment of more electrons. This paper stresses on the influence of plasma intensity (due to current on the UBM-coils) on the properties of Ti-DLC thin films deposited via plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD).

Keywords: Intensity plasma, Ti - DLC film properties covered, plasma chemistry.

1. Giới thiệu

Màng mỏng có nền cac-bon giống kim cương có các tính chất đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng chống mòn trong kỹ thuật (độ cứng cao, độ nhám bề mặt thấp, khả năng tự bôi trơn do hiện tượng graphit hóa) [1,2]. Các ứng dụng chống mòn của loại màng này đã được công bố trên nhiều công trình khoa học [3, 4]. Màng cac-bon giống kim cương và composite có nền cac-bon giống kim cương có thể được phủ lên các chi tiết bằng phương pháp vật lý (PVD) hoặc hóa học (CVD) [5]. Trong đó, phương pháp hóa học có plasma tăng cường được sử dụng rộng rãi nhất. Các hệ thống phún xạ magnetron có từ trường đóng được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật phủ màng mỏng cac-bon giống kim cương với hiệu quả cao và chất lượng màng tốt. Bên cạnh các nam châm vĩnh cửu, các cuộn dây điện từ (UBM-coils) là thành phần quan trọng để tạo nên một hệ thống phún xạ magnetron có từ trường đóng được bố trí trên mỗi cathode của hệ thống. Từ trường khép kín tạo ra nhờ các cuộn dây này sẽ “đẩy” các electron từ các vị trí lân cận với cathode đến vị trí của đế, từ đó làm tăng mật độ plasma ở vùng này. Dòng điện cấp cho cuộn dây càng lớn thì việc gia tăng mật độ plasma càng cao dẫn tới việc oanh tạc của ion lên bề mặt của màng càng mãnh liệt (về cả số lượng ion và năng lượng của mỗi ion), từ đó làm thay đổi các tính chất của màng được phủ. Bài báo trình bày một số ảnh hưởng của dòng điện trên cuộn dây đến các tính chất của màng.

2. Thí nghiệm

Màng composite có nền cac-bon giống kim cương phủ trên các tấm Si có đường kính 10cm bằng hệ thống phún xạ magnetron Teer-UDP có 4 magnetron. Sơ đồ của hệ thống được mô tả như Hình 2.1.

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống phủ màng Ti

Trong nghiên cứu này, 2 bia TiC đối diện nhau với độ tinh khiết 99,99% được sử dụng để phún xạ trong môi trường C₂H₂ và Ar với tỷ lệ C₂H₂ / (C₂H₂ + Ar) là 1/4. Công suất áp trên các bia là 500W, áp suất trong quá trình phủ được duy trì không đổi ở 0,3Pa. Mật độ ion được xác định bằng đầu dò Langmuir bố trí trong buồng phủ ở các vị trí khác nhau. Chiều dày và mặt cắt của màng được xác định bằng kính hiển vi điện tử SEM Philips FEG-XL30. Độ cứng và mô-đun đàn hồi của màng được xác định bằng thiết bị đo độ cứng nano XP với chiều sâu mũi đo ăn vào màng không quá 200mm.

3. Kết quả và thảo luận

Hình 3.1 thể hiện tỉ lệ giữa các phần tử ion và trung hòa tại vị trí đặt đầu dò với các giá trị dòng điện trên cuộn dây khác nhau. Nếu không có dòng điện trên cuộn dây cathode thì gần như không có sự ion hóa và tỷ lệ giữa ion và trung hòa nhỏ hơn 0,25. Khi có dòng điện, tỷ lệ này tăng mạnh tỷ lệ thuận với dòng điện. Trong cả hai trường hợp (1A và 2A), tỷ số ion/trung tính đạt cực đại ở khoảng cách 50 - 100mm tính từ cathode đồng nghĩa với mật độ plasma lớn nhất ở các vị trí này. Với mật độ plasma lớn, số lượng lớn các ion (chủ yếu là Ar⁺) được gia tốc và oanh tạc bề mặt của màng phủ (đang dày dần lên).

Hình 3.1: Tỷ lệ giữa ion và các phần tử trung hòa điện tại các vị trí khác nhau trước cathode với các giá trị dòng điện khác nhau

 

Mặt cắt các màng phủ trên các tấm Si ở các dòng điện khác nhau trên cuộn dây được thể hiện trên Hình 3.2.

Hình 3.2: Mặt cắt ngang của màng Ti-DLC phủ trên Si ở các giá trị dòng điện khác nhau trên cuộn dây cathode (a) - 0A, (b) - 1A, (c) - 2a

Các màng có cấu trúc tế vi dạng cột tương tự như nhau. Do chế độ phủ ở dòng điện không đổi (DC sputtering) nên năng lượng của các phần tử tạo màng không đủ lớn (chỉ khoảng vài eV) [ 5] để ngăn chặn việc hình thành cấu trúc hình cột. Tuy vậy, cấu trúc của các màng là tương đối sít chặt. Độ dày của màng trong vòng 2 giờ phủ đo được trên các mẫu ứng với dòng điện 0V, 1V và 2V lần lượt là 2,1, 2,3 và 2,45mm. Việc tăng tốc độ phủ khi tăng dòng điện cathode được giải thích bởi sự gia tăng mật độ plasma ở khu vực đế, từ đó làm gia tăng mức độ tập trung và ngưng đọng trên bề mặt đế của hydrocacbon.  

Độ cứng của các màng đo bằng nanoindenter được thể hiện trên Hình 3.3. Ở dòng điện 0A, độ cứng đạt giá trị lớn nhất (18GPa), tăng dòng điện sẽ làm giảm độ cứng của màng. Ở dòng điện 1A, độ cứng của màng là 16GPa. Tăng dòng điện lên 2A, độ cứng của màng chỉ còn 12Gpa. Điều này được giải thích bởi việc hình thành nhiều hơn nền C-H (do mật độ plasma cao ở vùng đế) vốn mềm hơn so với TiC trong màng khi phủ ở chế độ dòng điện trên cuộn dây cathode lớn.  

Hình 3.3: Ảnh hưởng của dòng điện trên cuộn dây cathode đến độ cứng của màng

 

Có thể nhận thấy việc tăng cường độ dòng điện trên cuộn dây làm tăng năng lượng và mật độ plasma trên bề mặt của đế nhưng ở chế độ phủ PECVD với nguồn DC trong nghiên cứu này, năng lượng của các phần tử được gia tốc không đủ lớn để ngăn chặn cấu trúc tế vi hình cột của màng và gia tăng độ cứng của màng; ngược lại, độ cứng bị giảm do nhiều C-H trong nền của màng được hình thành. Cũng với việc tăng năng lượng oanh tạc trên bề mặt màng nhưng nếu dùng phương pháp tăng thế điện trên vật cần phủ bằng nguồn có tần số radio (RF) thì kết quả sẽ ngược lại: Màng sẽ cứng hơn và tốc độ bị giảm đi. Kết quả này đã được tác giả công bố trong công trình [6,7].

4. Kết luận

Thay đổi dòng điện trên cuộn dây cathode sẽ thay đổi mật độ và năng lượng plasma trên bề mặt đế, từ đó làm thay đổi các tính chất của màng Ti-DLC. Mật độ plasma lớn nhất tại vị trí cách bia khoảng 50 - 100mm. Khi phủ bằng nguồn DC, tăng dòng điện không làm thay đổi cấu trúc tế vi của màng Ti-DLC. Về cơ bản, màng vẫn giữ cấu trúc hình cột tương đối sít chặt. Tuy nhiên, tăng dòng điện sẽ làm giảm độ cứng dẫn đến giảm tính chất chống mài mòn của màng.

Tài liệu tham khảo

[1]. Y. Lifshitz (1999), Diamond-like carbon- present status, Diamond and Related Materials 8, 1659-1676.

[2]. Y.Liu, A. Erdemir, E.I. Meletis (1996), An investigation of the relation ship between graphitization and friction behavior of DLC coatings, Surface and Coatings Technology 86-87.

[3]. A. Matthew, S.S. Eskildsen (3/1994), Engineering applications for diamond-like carbon,  Diamond and Related Materials.

[4]. K. Hormberg, A. Matthews (1994), Coatings tribology, Tribology series 28.

[5]. Y. Catherine (1991), Preparation techniques for diamond-like carbon, in “Diamond and diamond like films and coatings”, p.193, Plenum Press, New York.

[6]. S. Zhang, X.L.Bui, Y.Q. Fu (2003), Magnetron sputtered hard a-C coatings of very high toughness, Surface and Coatings Technology.

[7]. Bùi Xuân Lâm (2009), Ứng suất dư của màng mỏng cacbon giống kim cương phủ bằng phương pháp phún xạ, số 8,Tạp chí GTVT.