Titán-nitrid filmek

Sputtered vagy párolgott állapotban a titán nagyon reakcióképes fém, amely könnyen nitrideket, oxidokat vagy karbidokat képez. A titán-nitrid (TiN) egy NaCl-szerkezettel rendelkezik, amely stabilan egy széles összetételű intervallumon keresztül biztosítja mind az alatti, mind az túl-sztöchiometrikus fázisokat. Alacsony nitrogéntartalmú inert hordozóban (pl. Argon) szintén Ti ₂ N fázis lehetséges.

A titán-nitrid nagy keménységű és nagy ellenállóképességű a korrózióval szemben, és alacsony elektromos ellenállása némileg alacsonyabb, mint a tiszta. Továbbá a vékony TiN filmek sokkal nagyobb keménységet mutatnak, és az ellenállás sokkal alacsonyabb, mint az egyensúlyi ömlesztett értékek. A TiN-fóliák egyik legelterjedtebb alkalmazása a vágószerszámok, például a fúrók és a malmok, valamint a szerszámacélból vagy nagysebességű acélból készült szerszámcsavarok kopásának védelme. A keményfém betétek forgácsoláshoz és maráshoz A TiN filmek gyakran a legkülső réteg egy többrétegű bevonat. Ehhez az alkalmazáshoz a CVD a legalkalmasabb lerakódási eljárás, mivel nagy mennyiségű tételeket lehet egyszerre bevonni.

A mikroelektronikában a TiN-t fémkapocsként használják a MOS struktúrákban, mivel az alacsony ellenállás, de diffúziós gátként is. A sztöchiometrikus (Ti / N = 1) TiN nagymértékben hasonlít aranyhoz vizuálisan, és ez népszerűvé teszi a díszítő bevonatokat órák és egyéb tárgyak számára. A titán-nitrid biokompatibilis anyag, és ez a tulajdonság nagy területet eredményezett az orvostudományban, pl. Sebészeti implantátumokban. A kereskedelmi, tribológiai TiN bevonat (Balinit ® A) jellemző tulajdonságai 2300 HV keménységűek és 600 ° C-ig hőállóak. A nagy ipari érdeklődés és a széles körű alkalmazások a TiN vékony filmek esetében gyakran népszerű kutatási tárgyakká tették őket, ahol sok különböző PVD-módszert teszteltek és a film tulajdonságait tanulmányozták.

Néhány gyakori példa a gyakran használt PVD eljárásokra az elektronsugaras bepárlás, a magnetron sputtering és a katódos íves lerakódás. A tajvani csoport a TiN lerakódást egy reaktív üreges katódsugárzó ioncsírozó (HCD-IP) technikával tanulmányozta. Ebben a módszernél egy RF üreges katódot használunk nagyfeszültségű kisfeszültségű elektronpisztolyként Ti-tégelyes elektronsugaras párologtatáshoz és fématomok és gáz (Ar és N ₂ ) molekulák egyidejű ionizációjához . Tipikus lerakódási körülmények 6 kW RF teljesítmény, 0,29 Pa (2,2 mTorr) üzemi nyomás és 40 V-os DC szubsztrát-bias.

A kapott TiN-fóliák előnyös orientációja a legtöbb lerakási állapotra vonatkozott, különösen 1 μm-nél nagyobb rétegvastagság esetén. A filmek keménysége növekvő TiN textúra-együtthatóval nőtt, és 28 GPa-ra telített, mivel az együttható megközelítette az egységet. A csoport továbbá tanulmányozta az ion bombázás hatását a kristályos TiN-fóliákban a preferált orientációra azáltal, hogy változtat a bias feszültség, a lerakódási teljesítmény és a nitrogén parciális nyomás között. Úgy találták, hogy az ion bombázás okozza a törzs felhalmozódását vagy a rácsos károsodást, és az alacsony lerakódási hőmérsékleten az előnyös orientáció meghatározása meghatározza, hogy ezek közül mely jelenségek dominálnak. Az előnyös tájolás a törzs felhalmozódása és a rácshálózati károsodás irányában alakul ki. A termodinamikailag kedvező orientáció akkor következik be, ha nincs ionos bombázás. Ezenkívül a csoport azt vizsgálta, hogy a TiN filmek porozitását milyen mértékben befolyásolta a lerakódási hőmérséklet, a lerakódási idő és az ion bombázás. Arra a következtetésre jutnak, hogy a hosszú lerakódási idő vagy a magas hőmérséklet és a magas fokú ion bombázás csökkenti a porozitást, és az ion bombázás szintén befolyásolja a szemcseméretet és a preferált orientációt. A sűrű filmek nagy szemcsékkel vagy kis szemcsékkel rendelkeznek, magas textúrájú együtthatókkal.

A reaktív magnetron sputterelés kereskedelmi technikáit gyakran alkalmazták a TiN filmek lerakására. Guruvenket et al. tanulmányozta az ion bombázás és szubsztrát orientáció hatását a Si szubsztrátumokra lefektetett TiN filmek tulajdonságaira egy DC sík magnetron rendszerben. A 0,1 Pa össznyomással negatív biaspektrummal lefejtett fóliák a TiN szubsztráthoz hasonlóan a TiN előnyös tájolásával rendelkeztek, míg TiN volt. A szemcseméret akkor csökken, ha a torzítás +20 V-ról negatív értékre csökken, de majdnem állandó marad az előfeszítésre -60 V-ra. Negatív előítélet esetén a szemcsék kisebbek Si-nál, mint Si esetében. A nitrogén parciális nyomásának hatását a reaktív DC magnetron sputtered TiN filmek tulajdonságaira Meng et al. Az előnyös orientációval ellátott fóliákat fűtetlen üveg szubsztrátumokon 0,8 Pa nyomáson, míg a nitrogén parciális nyomását 0,08-0,3 Pa-ra változtattuk, és az eredmények azt mutatták, hogy a TiN textúra-együttható a nitrogén részleges nyomásának növekedésével csökkent, míg a szemcseméret nőtt. A titán-nitrid vékony filmek leválasztására szolgáló egyéb módszerek katódos íves lerakódáson alapulnak. Két ilyen módszert mutatott Martin és mtsai. : szűrt íves lerakódás (FAD) és ionos íves lerakódás (IAAD). A FAD-t TiN-lerakódásra használják fűtött és előfeszített Si és acél alapú (350 ° C) nitrogénatmoszférában. Ebben a beállításban a stresszt és a keménységet az előfeszítés változtatásával lehet szabályozni.

Az IAAD-ban a FAD rendszerhez egy nitrogénforrás, amely 500 EV fixenergiájú N ₂ + ionokat szolgáltat. Ez a beállítás lehetővé teszi a lerakódást fűtetlen Si és szén szubsztrátumokon, az ionsugár áram által vezérelt sztöchiometria segítségével. A lerakódási sebesség 100 nm / min (6 μm / h) mindkét konfiguráció esetében. A lerakódási körülményeknek a kristályokra és mikrostruktúrákra gyakorolt ​​hatását meglehetősen széles körben tanulmányozták, és több modellt is bemutattak. Az egyik ilyen modellt Zhao et al. és úgynevezett "Teljes energia modell". A modell célja, hogy megmagyarázza a preferált orientáció evolúcióját TiN-fóliákban, amelyeket egy elfogult szűrt íves lerakódási módszerrel helyeznek el, és a film ioncsomagolására koncentrálódik. A teljes energia minimalizálásán alapul, amely a felszíni energia, a törzsenergia és a "megállási energia" összege, amely az ionok lerakódott energiájának sűrűségét jelenti egy bizonyos kristályirányban. Kis filmvastagságnál a felületi energia dominál a törzs energiáján, és az előnyben részesített TiN orientációnak kell lennie. A növekvő filmvastagság vagy növekvő torzítás esetén a törzs energia dominál, ami a TiN előnyös orientációjához vezet. Nagyon nagy torzítás esetén visszaszorítás következik be, és a megállási energia dominál, és a TiN orientáció lesz a legkedvezőbb. Más kutatók alkalmazták a Thornton szerkezeti zóna modellt, amelyet eredetileg a tiszta fémfilmek porlasztására fejlesztettek ki TiN filmréteget is. Mindezek a megállapítások és megközelítések nagyon fontosak a nem hagyományos rendszerekben elhelyezett filmek tulajdonságainak megértésében, mint a jelenlegi doktori munkában.