磁控濺射TiN及ZrN薄膜的特性研究.pdf

1、氮化鈦和氮化鋯薄膜的結(jié)構(gòu)通常由金屬鍵和共價(jià)鍵混合而成，具有金屬晶體和共價(jià)晶體的特點(diǎn)：高熔點(diǎn)、高硬度、優(yōu)異的熱和化學(xué)惰性，優(yōu)良的導(dǎo)電性和金屬反射比。這類(lèi)薄膜既可作為一種耐磨及硬質(zhì)薄膜而廣泛用于各種切削工具、機(jī)械零部件，也可作為各種裝飾薄膜應(yīng)用于裝飾行業(yè)，還可作為Cu和Si之間的擴(kuò)散阻擋層。 氮化鈦和氮化鋯薄膜通常是在高溫下沉積，其目的是降低薄膜內(nèi)應(yīng)力，增加膜/基結(jié)合強(qiáng)度和優(yōu)化晶粒，提高薄膜機(jī)械性能。目前對(duì)于高溫制備氮化鈦和氮化鋯薄

2、膜已進(jìn)行了大量的研究工作，但在室溫下沉積氮化鈦和氮化鋯薄膜卻少有報(bào)道?；w的沉積溫度決定了沉積薄膜的基體材料的范圍，室溫沉積可以擴(kuò)大基體材料的范圍，例如可將其沉積在有機(jī)柔性襯底上，擴(kuò)大氮化鈦和氮化鋯薄膜的潛在用途，此外，室溫沉積也為低能耗、簡(jiǎn)化薄膜的制備工藝開(kāi)辟了一條途徑。 單一的純凈元素組成的薄膜材料的性能往往不能滿足實(shí)際的需要，必須進(jìn)行摻雜改性，摻雜的作用是多方面的，薄膜的顏色、力學(xué)、化學(xué)和光學(xué)性能以及結(jié)構(gòu)都會(huì)隨摻雜材料的種

3、類(lèi)和摻雜含量而改變。對(duì)TiN薄膜摻適量的Zr摻雜，除了能大幅度改善其機(jī)械性能外，而且還因Zr原子的存在，能提高TiN薄膜的耐腐蝕性能。 本研究課題以純鈦靶及純鋯靶為靶材，采用反應(yīng)磁控濺射工藝在玻璃和高速剛上沉積氮化鈦和(Ti,Zr)N薄膜，通過(guò)紫外-可見(jiàn)分光分度計(jì)和X射線衍射儀及掃描隧道顯微鏡測(cè)試分析，討論了工藝參數(shù)對(duì)氮化鈦薄膜機(jī)械性能、光學(xué)性能和結(jié)構(gòu)的影響，研究了Zr摻雜對(duì)(Ti,Zr)N薄膜性能與結(jié)構(gòu)的影響。采用射頻反應(yīng)磁控

4、濺射純鋯靶制備了透明硬質(zhì)薄膜，并對(duì)其性能進(jìn)行了研究。 研究表明：氮化鈦和(Ti,Zr)N薄膜為多晶態(tài)，氮流量決定了氮化鈦薄膜的結(jié)構(gòu)和性能，增加氮流量能使氮化鈦薄膜的結(jié)構(gòu)向面心立方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而得到性能良好的氮化鈦薄膜；施加負(fù)偏壓能優(yōu)化氮化鈦晶粒和減少薄膜中的缺陷，使膜層變得更致密，從而提高薄膜硬度；氮化鈦主要遵循自由載流子光吸收，氮含量較少時(shí)薄膜中的自由電子數(shù)目較多，隨著氮含量的增加，薄膜中的自由電子數(shù)目不斷減少，反射率逐漸降低

5、，等離子體頻率向低能端移動(dòng)，從而使薄膜顏色出現(xiàn)規(guī)律變化， 由金屬色銀白色到淡黃、金黃再到紅黃，并且薄膜亮度呈下降趨勢(shì)；金黃色的(Ti,Zr)N薄膜中存在TiN和ZrN的分離相，但其為單一的面心立方結(jié)構(gòu)并具有（111）面擇優(yōu)取向；相對(duì)于TiN薄膜，Zr摻雜后，并沒(méi)有使薄膜的導(dǎo)帶、價(jià)帶和禁帶發(fā)生變化，只是在TiN禁帶內(nèi)增加了新能級(jí)，這也正是摻雜Zr后，薄膜仍為金黃色的主要原因。用射頻反應(yīng)磁控濺射方法制備出具有優(yōu)良耐腐蝕性能和較高硬度的透明薄