Characterization of Ti–B–C–N films deposited by dc magnetron sputtering of bicomponent Ti/B₄C target

Abstract

Quaternary Ti–B–C–N films have been deposited onto Si (100) substrates by dc magnetron sputtering of bi-component Ti/B₄C target in an Ar/N₂ gas mixture with different amounts of nitrogen in the mixture (from 0 to 50%). The X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, indentation, and scratch tests have been employed to characterize the films. The films have been found to have the nanocomposite structure composed of Ti/TiB nanocrystallites (nc) solely when sputtered in argon or of nanocrystallite nc-TiN/nc-TiBx/nc-TiOx phases embedded into an amorphous a-C/a-CN/a-BN/a-BC matrix when nitrogen is added to the gas mixture. The latter structure is specific of all the films deposited with nitrogen irrespective of the nitrogen amount in the gas mixture. It has been found that the Knoop hardness of films first increased with added nitrogen reaching maximum value of 33 GPa at 25% N₂ in the gas mixture, and then decreased. The friction coefficient of films changed little with the added nitrogen, while with 25% N₂ exhibited the lowest value. The Ti–B–C–N films showed increased adhesion strength on silicon compared with Ti–B–C coatings.

Плівки в четверній Ti–B–C–N системі нанесено на Si (100) підкладки методом магнетронного на постійному струмі розпилення двохкомпонентної Ti/B₄C мішені в суміші газів Ar/N₂ із різною кількістю азоту в суміші (від 0 до 50 %). Плівки досліджували методами рентгенівської дифракції, рентгенівської фотоелектронної спектроскопії, індентування та шкрябання. Встановлено, що плівки мають нанокомпозитну структуру, яка складається лише із нанокристалітів (нк) Ti/TiB, якщо осадження проводилося в чистому аргоні, або із нанокристалічних фаз нк-TiN/нк-TiBx/нк-TiOx, оточених аморфною a-C/a-CN/a-BN/a-BC матрицею, при осаджені плівок в суміші Ar/N₂. Остання структура є топовою для усіх плівок, незалежно від кількості азоту в газовій суміші. Твердість плівок по Кнупу спочатку збільшувалась при додаванні азоту в газову суміш, досягнувши максимального значення 33 ГПа при 25 % азоту в суміші, а потім зменшувалась. Коефіцієнт тертя плівок змінювався неістотно при додаванні різної кількості азоту в суміш, і при 25 % N₂ виявив найменше значення. Адгезійна міцність Ti–B–C–N-плівок на кремнії виявилася вищою, ніж у Ti–B–C-плівок.

Пленки в четверной системе Ti–B–C–N осаждены на Si (100) подложки методом магнетронного на постоянном токе распыления двухкомпонентной Ti/B₄C мишени в смеси газов Ar/N₂ с разным количеством азота в смеси (от 0 до 50 %). Пленки исследовали методами рентгеновской дифракции, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, индентирования и царапания. Установлено, что пленки имеют нанокомпозитную структуру, состоящую только из нанокристаллитов (нк) Ti/TiB, если осаждение проводилось в чистом аргоне, или из нанокристаллических фаз нк-TiN/нк-TiBx/нк-TiOx, окруженных аморфной a-C/a-CN/a-BN/a-BC матрицей, при осаждении пленок в смеси Ar/N₂. Последняя структура характерна для всех пленок независимо от количества азота в газовой смеси. Твердость пленок по Кнупу сначала возросла при добавлении азота в газовую смесь, достигнув максимального значения 33 ГПа при 25 % азота в смеси, а затем снижалась. Коэффициент трения пленок изменялся незначительно при добавлении разного количества азота в смесь, и при 25 % N₂ показал наименьшее значение. Адгезионная прочность Ti–B–C–N-пленок на кремнии оказалась выше, чем у Ti–B–C-пленок.