低溫等離子體輔助脈沖直流磁控濺射制備TiN薄膜

　　采用一種新型的等離子體輔助脈沖直流磁控濺射濺射沉積方法，在低溫狀態(tài)(100℃) 下制備了氮化鈦薄膜，利用X射線衍射儀、輪廓儀、分光光度計(jì)、原子力顯微鏡對(duì)氮化鈦薄膜進(jìn)行了表征，研究了等離子體源在薄膜制備過程中的作用。結(jié)果表明采用該方法可在低溫環(huán)境下制備高溫抗氧化性能良好的氮化鈦薄膜。當(dāng)離子源功率為500 W 時(shí)，制備的氮化鈦薄膜表現(xiàn)良好氮化鈦(111) 擇優(yōu)取向，薄膜表面粗糙度為1.43 nm，紅外反射率可達(dá)到90%。

　　氮化鈦(TiN) 薄膜作為一種多功能材料，它具有高溫穩(wěn)定性、高硬度、低電導(dǎo)率、低摩擦系數(shù)、耐腐蝕等性質(zhì)，在硬質(zhì)涂層、耐高溫涂層以及裝飾涂層等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。制備氮化鈦薄膜的方法有很多，主要有電弧離子鍍和磁控濺射兩種鍍膜方法。電弧離子鍍由于沉積速度快，薄膜與基底結(jié)合力強(qiáng)因而在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用廣泛，其缺點(diǎn)是所制備的薄膜會(huì)保留由陰極材料射出的微米級(jí)顆粒，致使薄膜表面粗糙度與摩擦系數(shù)增大，因此限制了電弧離子鍍法在高性能薄膜領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　相對(duì)電弧離子鍍而言，磁控濺射法制備的膜層不存在大尺寸顆粒的問題，并且制備的薄膜表面光滑致密。但是傳統(tǒng)的磁控濺射法也有它的不足之處，磁場(chǎng)約束的高密度等離子體區(qū)只能分布在靶面附近，而整個(gè)真空室內(nèi)的等離子體密度低。鍍膜過程中由于離化率低，在保證較高的沉積速率的前提下，很難獲得高化學(xué)計(jì)量比的氮化鈦薄膜；而且，為了保證氮化鈦薄膜的結(jié)晶度，整個(gè)沉積過程須保持在恒定高溫( 通常為300℃) 環(huán)境下，這就大大地限制了待鍍工件的尺寸和種類，例如絕大多數(shù)摩擦與模具零部件常用材料、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域( Data Storage)和微機(jī)電領(lǐng)域中的硅片通道( TSV) 均要求鍍膜過程溫度不超過200 ～250℃，真空技術(shù)網(wǎng)（http://genius-power.com/）認(rèn)為這些因素制約了傳統(tǒng)磁控濺射鍍膜技術(shù)的生產(chǎn)效率和應(yīng)用范圍。

　　本文采用孿生靶脈沖直流磁控濺射方法，制備了氮化鈦薄膜，在此基礎(chǔ)上，通過改良工藝參數(shù)，即在真空室內(nèi)引入一等離子體區(qū)，提高真空室內(nèi)等離子體密度，實(shí)現(xiàn)了氮化鈦薄膜的低溫(100℃) 沉積，并研究了等離子體源對(duì)氮化鈦薄膜物相、表面形貌、光學(xué)性能以及高溫抗氧化特性的影響。同時(shí)對(duì)等離子體在氮化鈦薄膜制備過程中的作用機(jī)理進(jìn)行了探討。

1、試驗(yàn)設(shè)備與方法

　　薄膜沉積裝置為ACSP70/73 型多功能離子鍍膜試驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備含有： 一臺(tái)機(jī)械泵和一臺(tái)真空的分子泵構(gòu)成真空系統(tǒng)；真空室內(nèi)有一個(gè)公轉(zhuǎn)圓盤，圓盤上有若干齒輪鏈帶的自轉(zhuǎn)工件架；真空室內(nèi)含有若干加熱管，使真空室內(nèi)受熱均勻；一臺(tái)10 kW 脈沖直流電源和一臺(tái)10 kW 雙極性脈沖偏壓電源，濺射電源頻率為40 kHz，濺射過程中兩個(gè)靶交替的作為陰極和陽極，在負(fù)半周期內(nèi)出現(xiàn)靶材濺射，正半周期內(nèi)中和靶面的積累電荷，有效地防止了靶材中毒和陽極消失現(xiàn)象。

　　整個(gè)真空室為圓筒形結(jié)構(gòu)。公轉(zhuǎn)盤由上下圓盤及若干支撐桿組成，公轉(zhuǎn)軸通過上下圓盤圓心，公轉(zhuǎn)盤繞公轉(zhuǎn)軸勻速旋轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速在5 ～30 r /min 范圍內(nèi)可調(diào)。圖1 為等離子體源的具體結(jié)構(gòu)和相對(duì)位置示意圖。

圖1 等離子體源的具體結(jié)構(gòu)和相對(duì)位置示意圖

　　新型等離子體輔助磁控濺射結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示(1 為公轉(zhuǎn)盤，2為孿生濺射靶，3為公轉(zhuǎn)盤公轉(zhuǎn)軸，4為工件盤自轉(zhuǎn)軸，5 為工件架，6 為RF 等離子體輔助產(chǎn)生源) 。

　　如圖1 所示，本文提出了一種新型的等離子體輔助中頻或脈沖直流磁控濺射的方法，即在真空室內(nèi)增加一高離化率的等離子體放電區(qū)，工件高速公轉(zhuǎn)同時(shí)繞自轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)，反應(yīng)未完全的氮化鈦薄膜進(jìn)入等離子體區(qū)后，進(jìn)一步被氧化，在既保證了氮化鈦薄膜高的沉積速率同時(shí)還可以得到高純度的氮化鈦薄膜; 同時(shí)氮化鈦薄膜在高度離化的氬離子的轟擊下得到夯實(shí)，使膜層致密，且與基底的結(jié)合更加牢固。

　　基底為314 白鋼和單晶硅。采用X'pertProSuper型X 射線衍射( XRD) 儀對(duì)樣品進(jìn)行物相分析，衍射參數(shù)Cu Kα，管電壓為40 kV，管電流為100 mA，掃描范圍2θ 為20° ～80°，掃描時(shí)間8 min。采用美國VEECO 公司的Dimension3100 Controller 型原子力顯微鏡( AFM) 測(cè)試薄膜的表面形貌。采用Zygo New-View5020 表面輪廓儀測(cè)量薄膜厚度。采用Lambda950 分光光度計(jì)對(duì)樣品的反射率進(jìn)行表征，掃描范圍為350 ～2500 nm。

　　試驗(yàn)采用的靶材為純度99.7% 的Ti 靶，實(shí)驗(yàn)氣體：純度為99.999% 的Ar 氣和純度為99.999% 的N2氣。鍍膜前將基底用丙酮或清洗劑清洗去油，然后用乙醇溶液清洗。待基底完全干燥后裝入夾具，再放入真空室。實(shí)驗(yàn)工藝條件如表1 所示。

圖2 等離子體輔助磁控濺射結(jié)構(gòu)示意圖

表1 樣品制備條件

3、結(jié)論

　　本文分別采用有無射頻等離子體輔助孿生靶脈沖直流磁控濺射的方法在基底溫度為100℃下制備了TiN 薄膜。從光學(xué)性能變化可以看出，兩種工藝參數(shù)下制備TiN 薄膜的極限氧化溫度均為450℃。烘烤溫度≤400℃ 時(shí)，在整個(gè)可見-近紅外光譜區(qū)域內(nèi)，前者制備的TiN 薄膜光學(xué)性能始終優(yōu)于后者。同時(shí)利用XRD 衍射儀和AFM 對(duì)薄膜的晶相結(jié)構(gòu)和微觀形貌測(cè)試測(cè)試結(jié)果也表明，射頻等離子體的引入有利于提高薄膜的結(jié)晶度和致密性，減小薄膜表面粗糙度。該新型的等離子體輔助脈沖直流磁控濺射方法對(duì)TiN 薄膜在低溫環(huán)境下的制備提供了有力的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。