论文部分内容阅读
氮化钛(TiN)是一种新型多功能材料,其性能优异,如:硬度大、熔点高、电阻率低、抗腐蚀性强,并且具有独特的金黄色,在机械工业、微电子制造业、珠宝装饰业、玻璃制造业、医学等领域具有广泛的应用前景,有关它的制备研究一直十分活跃。制备TiN薄膜的方法有很多,如:物理气相沉积(PVD)、等离子体化学气相沉积(PCVD)、离子束辅助沉积(IBAD)等。其中离子束辅助增强沉积法由于其沉积温度低、离子能量高、附着力强、成膜质量高等优点,是目前应用较为广泛的沉积技术。 本实验利用TCP离子源和离子束辅助增强沉积技术,在玻璃衬底上制备TiN薄膜。通过改变氮氩气比例、衬底温度、沉积时间和退火,研究不同参数对TiN薄膜晶相结构、表面形貌、电学特性、残余应力和显微硬度的影响,以期制备出高性能TiN薄膜。 原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)观察TiN薄膜的表面形貌表明,不同工艺下制备的TiN薄膜均表面致密平整,提高氮气比例会减小颗粒尺寸;提高衬底温度和退火会使颗粒尺寸增大。X射线衍射仪(XRD)分析TiN薄膜可知,在不同的工艺参数下制备的TiN薄膜结晶度好,TiN薄膜沿应变能最小的TiN(111)面择优取向,以降低系统自由能。在样品中还出现了Ti2N(200)晶面,这是由于氮分压较低时薄膜中Ti原子过量造成。在退火后,高温作用下薄膜中的Ti2N与氮原子发生二次反应,转化成TiN(111)晶向。增大氮氩气比例、升高衬底温度和退火都有利于TiN薄膜生长。四探针法测量TiN电学特性表明,随氮氩比的增加,电阻率先下降受上升;提高衬底温度、退火和沉积时间会使电阻率下降。通过计算TiN薄膜的残余应力发现,不同条件下制备的样品随残余应力增大,薄膜电阻率也增大。薄膜显微硬度受到TiN微观结构的影响,当真空室中氮气过量时,薄膜的硬度会减小;提高衬底温度可以提高薄膜结晶度,薄膜的硬度上升;退火后薄膜残余应力得到释放,硬度下降。