Ti-Si-N-Ti-Si-Al-N納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備與性能研究.pdf

1、通過在薄膜中摻雜一種或多種其他元素改善或提高薄膜性能，如硬度或熱穩(wěn)定性等，是一種提高薄膜性能的有效方法，而以TiN體系為基礎(chǔ)，摻雜第三種或更多種元素以提高硬度硬度、抗氧化能力等是目前的研究熱點(diǎn)之一。 本文采用多靶反應(yīng)磁控濺射法以不同工藝參數(shù)分別制備了TiN、Ti-Si-N、Ti-Al-Si-N復(fù)合單層薄膜，考察氮?dú)饬髁?、濺射功率、基底負(fù)偏壓和基底溫度對TiN薄膜的微結(jié)構(gòu)以及沉積速率的影響，Si原子百分含量對Ti-Si-N復(fù)合單層

2、薄膜的微結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、力學(xué)性能和高溫抗氧化能力的影響，Al原子百分含量對Ti-Al-Si-N復(fù)合單層薄膜的微結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、晶格常數(shù)、力學(xué)性能和抗高溫性能的影響。在此基礎(chǔ)上，選取適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，分別以Ti-Si-N和Ti-Al-Si-N為調(diào)制層制備不同調(diào)制比的納米多層膜，分析其微結(jié)構(gòu)和力學(xué)及高溫性能，并與單層膜作對比，討論其機(jī)理。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在本實(shí)驗(yàn)條件下： [1]對TiN薄膜，有：在100W～220W的濺射功率

3、，Ar：N2＝10：1.5～10：8的體積流量比、常溫～300℃的基片（底）溫度以及0～-250V基片（底）負(fù)偏壓的工藝范圍內(nèi)，參數(shù)的改變對TiN薄膜的微結(jié)構(gòu)無明顯影響，薄膜呈TiN(111)和TiN(222)擇優(yōu)取向；增加Ti靶的濺射功率和基底負(fù)偏壓可以提高薄膜的沉積速率，氮?dú)饬髁康脑黾咏档统练e速率。表明TiN薄膜可以在很大的制備工藝范圍內(nèi)保持微結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 [2]對Ti-Si-N復(fù)合膜，有：薄膜的沉積速率隨Si靶的濺射功

4、率增加而增加。Si的加入將使TiN晶粒細(xì)化，薄膜表面趨于平整，Si含量在0～4at％范圍內(nèi)，晶粒尺寸隨Si含量增加緩慢下降；Si含量在4～12at％范圍內(nèi)，晶粒尺寸隨Si含量增加而急劇下降；Si含量超過12at％后，晶粒尺寸緩慢減小。Si含量在0增加到約7at％時，薄膜硬度比TiN薄膜的僅升高了3GPa左右；含量在7～18at％時，薄膜硬度增加比較快，從約22GPa快速升高到37GPa；含量在18～22at％區(qū)間內(nèi)薄膜硬度達(dá)到峰值區(qū)，約

5、39GPa；Si含量再增加時，硬度迅速減小然后趨于穩(wěn)定；利用模型計算Si3N4層的厚度最大值≤0.8nm，表明復(fù)合膜硬度的增加有可能是Si3N4層在TiN的模板作用下發(fā)生晶化的結(jié)果。Si的加入改善了薄膜的抗氧化性。當(dāng)含量低于約7at％時，隨著Si含量的增加，薄膜抗氧化能力顯著提高，可以達(dá)到約700℃；當(dāng)Si含量大于7at％時，隨著Si含量的增加，薄膜抗氧化能力緩慢提高，Si含量為12.88at％的Ti–Si–N氧化溫度僅提高到為750℃

6、。含量在7at％以上時，薄膜可以獲得優(yōu)異的抗氧化性。 [3]對Ti-Al-Si-N復(fù)合膜，發(fā)現(xiàn)：可以通過控制Al靶濺射功率控制薄膜的Al含量；薄膜沉積速率與Al靶濺射功率近似呈線性增加關(guān)系；Al含量的增加將導(dǎo)致薄膜微結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，XRD圖譜顯示，含量較低（≤6.48at％）時薄膜以(Ti，Al)N相為主，擇優(yōu)?。?11）面，含量在約10at％以上時，出現(xiàn)h-AlN相；Al的加入將導(dǎo)致晶格常數(shù)和晶粒尺寸下降；Al含量在5～1

7、0at％間薄膜具有最高的硬度，硬度的增加可能是薄膜形成固溶強(qiáng)化或固溶強(qiáng)化與Si在晶粒間形成Si3N4而強(qiáng)化兩因素共同作用的結(jié)果。Al的加入可以把薄膜的抗氧化溫度提高到900℃左右，但含量較高時易導(dǎo)致薄膜在高溫下晶粒長大。 [4]Ti-Si-N/Ti-Al-Si-N納米結(jié)薄膜體系，則發(fā)現(xiàn)：兩調(diào)制層間晶格協(xié)調(diào)匹配引起的應(yīng)力使薄膜晶粒在生長過程中為保持體系總能量最低發(fā)生了擇優(yōu)取向變化，由單層膜時擇優(yōu)取（111）轉(zhuǎn)為多層膜的（200）