Титаниев нитриден филм

Когато се разпръсква или изпарява, титанът е много реактивен метал, който лесно образува нитриди, оксиди или карбиди. Титанов нитрид (TiN) има структура на NaCl, която е стабилна при широк интервал на състава, позволяващ както под-, така и над-стехиометричната фази. При ниско съдържание на азот в инертен носител (напр. Аргон) също е възможна Ti2N фаза.

Титаниевият нитрид има висока твърдост и висока устойчивост срещу корозия и ниско електрическо съпротивление малко по-ниско от чистото Ti. Освен това тънките TiN филми могат да проявяват твърдост много по-висока от съпротивлението и много по-ниска от равновесните насипни стойности. Едно от най-разпространените приложения на TiN филми е защитата от износване на режещи инструменти като свредла и мелници и инструментални битове, направени от инструментална стомана или високоскоростна стомана. На твърди метални вложки за завъртане и смилане TiN филмите често са най-външният слой в многослойно покритие. За това приложение CVD е най-използваният метод за отлагане, поради възможността за покриване на много големи партиди едновременно.

В микроелектрониката TiN се използва като портален метал в структурите на MOS поради ниското съпротивление, но и като дифузионна бариера. Стехиометричният (Ti / N = 1) TiN силно прилича злато визуално и това го прави популярен за декоративни покрития за часовници и други предмети. Титаниевият нитрид е биосъвместим материал и това свойство доведе до голямо поле на приложение в медицината, например хирургически импланти. Типичните свойства на търговско, трибологично TiN покритие (Balinit® A) са твърдост 2300 HV и термична стабилност до 600 ° C. Големият промишлен интерес и голямото разнообразие от приложения за тънки филми TiN често ги правят популярни изследователски обекти, в които са изследвани много различни PVD методи и са изследвани получените филмови свойства.

Някои често срещани примери за често използвани PVD методи са изпарение на електронен сноп, магнетронно разпрашване и отлагане на катодна дъга. Тайванска група е изучила TiN отлагането с помощта на реактивна техника за йонизиране на кухи катализатори (HCD-IP). При този метод RF кухият катод се използва като електронен пистолет с високо напрежение с ниско напрежение за електронно излъчване на Ti-тигел и за едновременно йонизиране на метални атоми и газови (Ar и N2 ) молекули. Типичните условия на отлагане са RF мощност от 6 kW, работно налягане от 0.29 Ра (2.2 mTorr) и приложено DC субстратно отклонение от -40V.

Предпочитаната ориентация на получените TiN филми е за повечето условия на отлагане, особено за филм, по-малък от 1 цт. Твърдостта на филмите се увеличава с увеличаващия се TiN текстуров коефициент и се насища при 28 GPa, като коефициентът се приближава към единството. Групата изследва също влиянието на йонното бомбардиране върху предпочитаната ориентация в кристалните TiN филми, като променя напрежението на пристрастие, силата на отлагане и парциалното налягане на азота. Установено е, че йонното бомбардиране причинява натрупване на щам или увреждане на решетката и предпочитаната ориентация при ниски температури на отлагане се определя от кой от тези явления доминира. Предпочитаната ориентация се развива при натрупване на напрежение и ориентация при увреждане на решетката. Термодинамично благоприятната ориентация се получава, когато няма йонно бомбардиране. Освен това групата изследва как порьозността на TiN филмите е повлияна от температурата на отлагане, времето за отлагане и йонното бомбардиране. Те заключават, че дългите времена на отлагане или високите температури и високата степен на йонно бомбардиране намаляват порьозността и че йонното бомбардиране също влияе върху размера на зърната и предпочитаната ориентация. Плътните филми имат или големи зърна, или малки зърна с високи коефициенти на текстура.

Търговските техники за реактивно магнетроново разпрашване често се прилагат за отлагане на TiN филми. Guruvenket et al. са изследвали влиянието на йонното бомбардиране и ориентацията на субстрата върху свойствата на TiN филми, отложени върху Si субстрати в DC планарна магнетронна система. Филмите, депозирани при общо налягане от 0,1 Pa с отрицателно отклонение върху Si субстратите, имат предпочитана ориентация на TiN, докато TiN за филми, отложени върху Si субстрати. Размерът на зърното намалява, когато отклонението се понижи от +20 V до отрицателни стойности, но след това остава почти постоянно за отклонение до -60 V. При отрицателно отклонение зърната са по-малки по Si, отколкото по Si. Влиянието на парциалното налягане на азота върху свойствата на реактивните DC магнетронни разпенени TiN филми е изследвано от Meng et al. Филми с предпочитана ориентация се отлагат върху неотоплени стъклени субстрати при общо налягане от 0,8 Ра, докато парциалното налягане на азота варира от 0,08 до 0,3 Ра. Резултатите са, че коефициентът на TiN текстура намалява с увеличаване на парциалното налягане на азота, докато размерът на зърното се увеличава. Други обичайни методи за отлагане на тънки филми от титанов нитрид се основават на отлагане на катодна дъга. Два такива метода бяха представени от Martin et al. : филтрирано отлагане на дъга (FAD) и йонно подпомагане на дъга (IAAD). FAD се използва за отлагане на TiN върху нагрявани и предначертани Si и стоманени субстрати (350 ° C) в азотна атмосфера. В тази настройка напрежението и твърдостта могат да бъдат контролирани чрез промяна на пристрастие.

В IAAD е добавен към системата FAD източник на азотни йони, който доставя N2 + йони с фиксирана енергия от 500 eV. Тази настройка дава възможност за отлагане върху незагряти Si и въглеродни субстрати с контрол на стехиометрията чрез тока на йонния лъч. Скоростта на отлагане е 100 nm / min (6 μm / h) за двете настройки. Влиянието на условията на отлагане върху кристала и микроструктурата е изследвано доста подробно и са представени няколко модела. Един от тези модели е представен от Zhao et al. и наречен "Общ енергиен модел". Моделът има за цел да обясни еволюцията на предпочитаната ориентация в TiN филмите, депозирани по метода на отклонения от филтрираната дъга, и се фокусира върху йонното бомбардиране на филма. Тя се основава на минимизирането на общата енергия, която е сумата от повърхностната енергия, енергията на напрежението и "спиращата енергия", която се определя като плътността на натрупаната енергия от йони по определена кристална посока. При малка дебелина на филма повърхностната енергия доминира над енергията на опън и предпочитаната ориентация на TiN трябва да бъде. При нарастваща дебелина на филма или увеличаваща се пристрастност, доминиращата енергия се превръща в доминираща, което води до предпочитана ориентация на TiN. При много голямо пристрастие възниква удар и спиращата енергия става доминираща и ориентацията на TiN се превръща в предпочитана. Други изследователи са приложили модела на структурната зона на Thornton, първоначално разработен за разпрашване на чисти метални филми и за отлагане на TiN филм. Всички тези открития и подходи са много важни за разбирането на свойствата на филмите, депозирани в неконвенционални системи като тези, използвани в настоящата докторска работа.