1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。Rf和Dc光源輝光放電光譜技術對工業化表面處理的深度剖面分析-說明：本翻譯為漢譯英，來源于表面科學應用雜志235(2004)97-102Rf和Dc光源輝光放電光譜技術對工業化表面處理的深度剖面分析Depthprofilingofindustrialsurfacetreatmentsbyrfanddcglowdischargespectrometry摘要：在當代，工業化表面處理的范圍比較廣泛，從而使應用于這方面的工具和元件不斷的改進和完善，能夠在不改變材料的基體屬性的前提下顯著的提高其使用壽命。關于摩擦性

2、能方面的改進主要受材料本身的化學成分和處理層厚度的影響。所以，深度剖面分析（可以通過不同的技術來分析，例如AES，XPS，SIMS，RBS等）是一種重要的材料表面分析工具，只是它的局限性在于耗費時間長，最大分析深度限制于幾微米。輝光放電光譜技術解決了大部分的這些問題，提供了一種快速、定量、可靠的深度剖面分析方法，測量深度一次可達150m以上，耗費時間不超過2小時。本次試驗對RF和DC兩種光源的檢測能力做了對比，同時說明了輝光放電光譜技術對工業表面處理分析的重要性，例如CVD，PVD和離子注入等表面處理方法。結果表明，對于表面處理的觀察分析和質量控制來說，DC和RF輝光放電光譜技術是一種強有效的

3、方法。關鍵詞：輝光放電光譜儀；輝光放電技術；PVD；CVD；離子注入引言輝光放電光譜技術是一種快速的，準確的，定量的對試樣進行深度剖面分析的技術，其分析深度高達150m，具有分辨率較高和分析元素種類多的特點。盡管輝光放電技術還不是一門眾所周知的技術，但它已用于大部分的表面處理的檢測，例如電化學沉積，陽極鍍覆薄膜，和其他不同類型的PVD和CVD沉積方法。輝光放電光譜技術在這些方面的應用顯得格外重要，因為最近工業化的PVD和CVD的發展使檢測的結構越來越復雜（納米結構沉積，雙鍍層和多鍍層等）。輝光放電光譜技術采用DC或RF放電光源對待測試樣表面產生濺射。盡管現在dc放電光源比較更廣泛的應用于檢測傳

4、導材料，但是，能夠使用同一種放電光源來檢測傳導料和非傳導材料的趨勢將會促進rf放電光源的使用增多。本文對比研究了兩種不同的放電光源（dc和rf）對PVD，CVD和離子注入試樣的定量深度剖面分析。對用dc和rf光源對試樣的成分深度剖面分析進行了對比和討論，從中得出每種光源的主要優點和局限性。試驗2.1試樣描述用dc和rf放電光源分別檢測了三種經過不同表面處理的試樣，表1所示為這些處理方法的主要數據參數，包括處理過程，全部厚度，單層厚度和每步處理中存在的元素。三種不同的離子注入試驗按下列方法進行：41017at/cm2的氮原子，81017at/cm2的氮分子在150keV的條件下進行，氮加碳混合注

5、入。這些注入都在Whickham200keV，質量分析器，大電流注入器的條件下進行。在靶室中配備有一臺110-4Pa的低溫真空泵和機械掃描系統，用來確保注入量的均勻性。在注入過程中，電流密度保持在0.05mA/cm2，以防止基體過熱。表1分析處理的描述技術處理大約厚度（m）離子注入N+注入鈦在150keVN2+注入鈦在150keVN+加C+注入不銹鋼0.30.10.4PVD沉積TiN/CrN多層鍍層TiN/CrN多層鍍層2（0.2）3.5（0.15）CVD沉積TiC/TiN雙層鍍層10PVD沉積采用活性的陰極真空電弧蒸發METAPLASMZR323系統來進行沉積的。這個設備有6個圓柱形的蒸發器

6、，工作條件為電壓30V，電流100A，且在弱磁性環境中進行。在將試樣放到試樣室檢測之前，要用堿性清潔劑對試樣進行清洗，然后用丙酮超聲波清洗。工作溫度在400-500之間，主要取決于沉積類型。剩余真空大約為10-4Pa，工作壓強在10-2和1Pa之間。CVD沉積是用熱的低壓CVD設備，在溫度大約為1000和壓強大約為300Pa的條件下進行。2.2設備及校準Dc放電光源分析是用GDS750A分光計（LECO）來進行分析的，它配備有一個等離子光源，其內部陽極直徑為2.5mm。分光計的光學部分是由多色儀組成的，它使深度剖面分析能夠非常可靠高效的完成（數據采集頻率1kHz）。從每個光電倍增管中發出的信號

7、，可以能夠同時收集41種信號元素。GDS750對所有需要的元素進行校準，使為了使檢測到的光的強度與每次濺射物質的增加量和輝光放電參數量化。所用元素的發射譜線為（波長單位nm）：Ti（365.36），N（149.26），C（156.14），Cr（425.43）和Fe（371.99）。一些深度剖面的檢測要在恒定的Ar氣流和穩定的700V電壓和20mA的電流的條件下進行。最后，對于所有因檢測所留下的濺射坑的形狀要用光學輪廓測定儀來測量，以此來獲得深度校準所需的必要信息。用于校準用的相關材料是一些HSS（高速鋼），類似于用于注入試樣的基體。PVD沉積的校準也是使用相同的標準材料，同時要含有較多量的（9

8、5，96和97%）Ti和Cr的目標值，它們加入到校準中是為了擴大上面所提到的量化范圍。使用這種設備可采用40點/秒的采集速率來對所有的試樣進行檢測，除了CVD沉積的鍍層檢測所用采集速率為2點/秒。所有檢測行為都是在電流和電壓恒定的條件下進行的，且用壓強控制等離子體的穩定性。GDS750A標準試樣是由試樣分析局認證的。所用試樣為：SS-CRM461/1，SS-CRM462/1，SS-CRM463/1，SS-CRM464/1，SS-CRM465/1，SS-CRM468/1，SS-CRM481/1，SS-CRM484/1，SS-CRM485/1，SS-CRM487/1。Rf放電光源剖面分析是采用JY

9、GDProfilerHR（Jobin-yvonhoriba,法國），在恒定的壓強和恒定的外加功率的條件下工作的。這種光源是在650Pa的壓強和40W的功率條件下釋放的，銅陽極直徑為4mm。所用元素的發射譜線為（波長單位nm）：Ti（365.360），N（149.262），C（156.144），Cr（425.433），Fe（371.994），H（121.504）。一些用來校準所用的標準材料為：低合金鋼，NBS1766（NIST，美國）；合金鋼，HS1B，HS3E和HS8C（GlenSpectra，英國）；鑄鐵，FCR5/1B59（CTIF，法國）；不銹鋼，17005（MBHAnalytical,

10、英國）；鈦合金，COTI5-2.5（GlenSpectra，英國）；陶瓷，CC650A（SIMR，瑞典）。用PVD沉積的方法在WC上沉積TiN的試樣主要是利用它的氮密度較高的性能。NBS1766鋼試樣用來做濺射率的參考。它的濺射率為0.594gm-2s-1，相當于4.53m/min。在校準和分析中包括一種氫修正。這種設備中的20點/秒的采集速率適用于檢測所有的試樣，除了CVD鍍層，它的檢測要使用0.2點/秒的采集速率。對于所有的剖面，我們用接近20點都光滑濾光裝置使其表面光滑。結果和討論3.1離子注入原子和分子氮在150keV的條件下離子注入到鈦合金中所得的氮的深度剖面不到半微米。從由剖面編碼

11、電腦程序作的深度剖面的模擬可以看出，原子注入的鐵原子區域大約270nm，而分子注入卻不足100nm（由于分子，離子的量是原子的兩倍）。從這些試樣的分析中可以得出這樣的假設，所制作的試樣中只有鈦和氮的存在。由于這個原因，在量化過程中只分析二元體系。圖1所示為在不同的條件下注入的兩個鈦試樣的輝光放電光譜深度剖面分析曲線。在這兩個圖表中，分別由用rf和dc兩種光源檢測的N和Ti的剖面分析曲線，從兩個試驗結果中可以看出檢測較準確的光源。從原子注入的發射范圍Rp可以看出，這個值大約為340.70nm，遠遠大于模擬的數值。這種情形的出現主要是由于最表層的氧化物存在的緣故，同時薄的碳膜也對減少基體鈦試樣的濺

12、射起到了保護層的作用。另外還有兩個因素可能導致這種不一致：計算機模擬沒有考慮碳和氧化物鍍層的厚度問題，還有就是在模擬中我們所用的金屬基體的濺射率比碳或氧化物表面鍍層的濺射率要大。這兩個因素就可以解釋（至少可以部分解釋）這種實際操作結果和計算機模擬結果的不一致。另外，成功的碳和氮注入試驗是，在100keV的條件下以31018個離子/cm2的劑量注入到不銹鋼中。圖2所示為對成功的注入氮和碳的高速鋼試樣用rf和dc光源進行的剖面分析。RF：RF光源；DC：DC光源RF：RF光源；DC：DC光源圖1.鈦注入試樣的定量深度剖面分析。左圖，41017N+/cm2，150keV；右圖，81017N+/cm2

13、，150keV。圖2.不銹鋼注入試樣的定量深度剖面分析。左圖，rf分析；右圖，dc分析。圖3.上面的圖為，TiN/CrN多鍍層的濺射坑光學照片。下面的圖為，TiN/CrN多鍍層的定量深度剖面分析曲線。左圖為rf，右圖為dc。圖4.CVD試樣的定量深度剖面分析曲線。左圖為rf分析，右圖為dc分析。3.2PVD（物理氣相沉積）在工具鋼試樣表面沉積TiN/CrN的多層鍍層總厚度大約為3m。圖3a所示為這種沉積鍍層的濺射坑的光學照片，從中我們可以看到20層以上的TiN和CrN的單層鍍層。圖3b和c所示為分別用rf和dc光源所作的輝光放電光譜剖面分析曲線，對比圖3中的b和c曲線，能夠看出這兩種檢測方式具

14、有較好的相關性，和它們的一些共同的特點。Ti和Cr的信號在深度方向對成份失去調制。多鍍層中的第一層要比最后一層的分辨率要高，由于深度分析技術方面的欠缺。這種現象的出現是由于在濺射坑周圍濺射濃度較高的結果。3.3CVD（化學氣相沉積）用低壓化學氣相沉積的方法在工具鋼表面沉積TiC-TiN雙層鍍層。圖4所示為用rf和dc光源對這種鍍層進行的輝光放電光譜深度剖面分析曲線。用CVD技術能夠使鍍層的厚度提高到10m。Dc光源剖面分析具有相當低的噪音，主要是因為設備在檢測試樣時，所用的收集速率很低。選擇這種光源的原因是，化學氣相沉積所要檢測的總體厚度是離子注入深度的20倍。4.結論本試驗工作研究了用輝光放電光譜技術對不同表面處理的試樣分析情況，所用設備為JYGDPROFILERHR，激發光源為