nc-TiN-a-Si3N4納米復(fù)合薄膜的制備與性能研究.pdf

1、采用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的FDJ600 型高真空多功能薄膜沉積設(shè)備，通過離子束濺射、磁過濾陰極弧等離子體沉積、射頻耦合感應(yīng)離子源相復(fù)合的方法在單晶硅表面沉積了nc-TiN/a-Si3N4 單層、多層納米復(fù)合薄膜；考察了不同沉積參數(shù)對薄膜的結(jié)構(gòu)及機(jī)械性能的影響。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　 1.不同Si 含量（at％）的nc-TiN/a-Si3N4 納米復(fù)合薄膜的制備與機(jī)械性能研究
　　 采用離子束濺射與磁過濾陰極弧等離子體共

2、沉積技術(shù)在單晶硅片(400)表面沉積了不同Si 含量（at％）的TiN/Si3N4 納米復(fù)合薄膜；分析了復(fù)合薄膜的成分和結(jié)構(gòu)，測定了其硬度、彈性模量、摩擦系數(shù)、磨損率及膜基結(jié)合強(qiáng)度，探討了Si 含量對薄膜結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響。結(jié)果表明，Si 含量對TiN/Si3N4 納米復(fù)合薄膜的表面形貌、結(jié)構(gòu)及微觀機(jī)械性能都有較大的影響。薄膜中Ti、Si分別以納米氮化鈦（nc-TiN）和非晶氮化硅（a-Si3N4）形式存在，其中TiN 沿（200）面

3、擇優(yōu)取向；納米硬度測試表明，薄膜硬度處于22～26 Gpa 范圍內(nèi)，薄膜與氮化硅偶件對摩時(shí)的摩擦系數(shù)在0.13～0.17之間。當(dāng)薄膜的Si 含量為10.9％時(shí)，其硬度最大(25.6 Gpa)，摩擦系數(shù)、磨損率、膜基結(jié)合強(qiáng)度最低。隨著Si 含量的繼續(xù)增加，薄膜的摩擦系數(shù)、磨損率和膜基結(jié)合強(qiáng)度又逐漸增加。由此可知薄膜的微觀機(jī)械性能與Si 含量密切相關(guān)。
　　 2.偏壓對nc-TiN/a-Si3N4 納米復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能的影響

4、
　　 采用離子束濺射與磁過濾陰極弧等離子體共沉積技術(shù)在單晶硅片(400)表面沉積了nc-TiN/a-Si3N4 納米復(fù)合薄膜，測定了不同基底負(fù)偏壓下制備的nc-TiN/a-Si3N4 納米復(fù)合薄膜的表面形貌、結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，探討了基底負(fù)偏壓對其成分、結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響。結(jié)果表明，基底負(fù)偏壓對nc-TiN/a-Si3N4 納米復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能有較大影響。隨著基底負(fù)偏壓的增加，薄膜的沉積速率大幅度降低。在-100 V基底

5、負(fù)偏壓下制備的薄膜的Si 含量（at％）最高、Ti 含量（at％）最低。在0 ～-300 V 范圍內(nèi)，隨著負(fù)偏壓的增加，薄膜中的TiN 擇優(yōu)取向面由（200）轉(zhuǎn)變?yōu)椋?11）；當(dāng)負(fù)偏壓達(dá)到-300 V 時(shí)，薄膜中的TiN 轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷螒B(tài)。薄膜中的TiN以多晶形式存在，柱狀晶在-100 V 偏壓下變得較為致密、均勻。非晶Si3N4 包覆在TiN 納米晶粒周圍，擇優(yōu)取向較為明顯。當(dāng)基底負(fù)偏壓為-100 V 時(shí)，薄膜的硬度達(dá)到46 Gpa，出

6、現(xiàn)超硬效應(yīng)，此時(shí)薄膜的氧含量最低。與此同時(shí)，-100 V 時(shí)薄膜的表面粗糙度降至最低，膜基結(jié)合強(qiáng)度最高；隨著偏壓的繼續(xù)增加，薄膜的表面粗糙度逐漸增大、膜基結(jié)合強(qiáng)度逐漸降低。綜合看來，偏壓-100V 時(shí)制備的nc-TiN/a-Si3N4 納米復(fù)合薄膜的綜合性能最佳。
　　 3.Nc-TiN/a-Si3N4 納米復(fù)合多層薄膜的制備與機(jī)械性能研究
　　 采用離子束濺射與磁過濾陰極弧等離子體共沉積技術(shù)在單晶硅片(400)表面沉積

7、了硬度由低到高的nc-TiN/a-Si3N4 梯度多層納米復(fù)合薄膜，研究了其表面形貌、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及機(jī)械性能。結(jié)果表明，與納米復(fù)合單層膜相比，納米復(fù)合多層梯度膜均存在超硬現(xiàn)象。
　　 隨著較高硬度單層厚度的增大（對應(yīng)多層膜的層差由-15 nm 增大至15 nm），薄膜的納米硬度逐漸增加，且在層差為10 nm 時(shí)薄膜的硬度最高。與此同時(shí)，層差對薄膜的微觀機(jī)械性能和摩擦磨損性能也有較大的影響。隨著層差的增加，薄膜的膜基結(jié)合強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)、