Development of high nitrogen-containing and high-hardness ta-CNx film deposition method by directly injecting gas to the target

开发向靶材直接注入气体沉积高含氮高硬度ta-CNx薄膜的方法

• 批准号: 21K14066
• 负责人: 李 義永
• 金额: $ 2.91万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K14066/
• 关键词: ta-CNx; FCVA; Duct; IBA-FCVA法; 低摩擦

次世代自動車等において超低摩擦と耐摩耗性を両立する硬質膜部品が求められている．期待される硬質膜として硬質なテトラヘドラルDLC (ta-C)に窒素を30at％程度まで含有するta-CNx膜がある．2019年，申請者らは、カーボンをフィルタードアークデポジッション法で成膜しながら，窒素イオンを別のイオンガンで照射するIBA-FCVA法（Ion Beam Assisted Filtered Cathodic Vacuum Arc)で10at%の窒素を含有しながら30 GPa以上の高硬度を得る成膜に成功した．しかし，この装置では，成膜速度が低い事と炭素イオンビーム照射の構造的な特性により成膜範囲が50mmのビーム径に対応し狭い事，そしてta-CNx成膜内の最大窒素含有量が10 at.%に飽和する事の技術的な限界が実験的に明らかになってきた. 本研究では，FCVA成膜装置のフィルター部の先端に位置する特殊ダクトフランジでUltra-Torrを利用してガス管を締結し，ガス管とターゲットの距離を自由に調節できるように製作した．特殊なフランジを用いて、アークプラズマが発生する箇所においてカーボンターゲットだけでなく、窒素ガスも導入することで、高エネルギーの炭素イオンと窒素イオンを同時に発生することが可能なった．成膜条件は高いイオン化率と高いエネルギーを用いるため80Aを印加し、基盤バイアスは-100Vに設定された。この成膜手法でアークプラズマの安定的な放電維持に役立つとともに、ta-CNx膜の窒素含有は16 at.%まで高く含有することができた。

下一代汽车需要同时具有超低摩擦和耐磨性的硬膜部件。作为一种很有前途的硬质薄膜，有一种在硬质四面体 DLC (ta-C) 中含有高达 30 at% 氮的 ta-CNx 薄膜。 2019年，申请人使用IBA-FCVA方法（离子束辅助过滤阴极真空电弧）沉积10 at%的氮，该方法使用单独的离子枪照射氮离子，同时使用过滤电弧沉积方法沉积碳。薄膜硬度超过 30 GPa，同时含有然而，该设备由于碳离子束辐照的结构特点，沉积速率较低，沉积范围较窄（对应束径为50 mm），ta-CNx沉积中的最大氮含量为10 at.% 的饱和技术极限已通过实验阐明。在这项研究中，位于 FCVA 薄膜沉积系统过滤器部分尖端的特殊管道法兰用于使用 Ultra-Torr 连接气管，并制作成使得气管和目标之间的距离可以为自由调整。通过使用特殊法兰，在电弧等离子体产生点不仅引入碳靶，还引入氮气，可以同时产生高能碳离子和氮离子。成膜条件为80A，使用高电离率和高能量，基础偏压设定为-100V。这种成膜方法有助于维持稳定的电弧等离子体放电，且ta-CNx薄膜的氮含量可高达16at.%。