磁控溅射TiN及ZrN薄膜的特性研究

论文题目: 磁控溅射TiN及ZrN薄膜的特性研究

论文类型: 硕士论文

论文专业: 材料学

作者: 徐成俊

导师: 黄佳木

关键词: 磁控溅射,氮化钛,薄膜,透明氮化锆薄膜

文献来源: 重庆大学

发表年度: 2005

论文摘要: 氮化钛和氮化锆薄膜的结构通常由金属键和共价键混合而成,具有金属晶体和共价晶体的特点:高熔点、高硬度、优异的热和化学惰性,优良的导电性和金属反射比。这类薄膜既可作为一种耐磨及硬质薄膜而广泛用于各种切削工具、机械零部件,也可作为各种装饰薄膜应用于装饰行业,还可作为Cu 和Si 之间的扩散阻挡层。氮化钛和氮化锆薄膜通常是在高温下沉积,其目的是降低薄膜内应力,增加膜/基结合强度和优化晶粒,提高薄膜机械性能。目前对于高温制备氮化钛和氮化锆薄膜已进行了大量的研究工作,但在室温下沉积氮化钛和氮化锆薄膜却少有报道。基体的沉积温度决定了沉积薄膜的基体材料的范围,室温沉积可以扩大基体材料的范围,例如可将其沉积在有机柔性衬底上,扩大氮化钛和氮化锆薄膜的潜在用途,此外,室温沉积也为低能耗、简化薄膜的制备工艺开辟了一条途径。单一的纯净元素组成的薄膜材料的性能往往不能满足实际的需要,必须进行掺杂改性,掺杂的作用是多方面的,薄膜的颜色、力学、化学和光学性能以及结构都会随掺杂材料的种类和掺杂含量而改变。对TiN 薄膜掺适量的Zr 掺杂,除了能大幅度改善其机械性能外,而且还因Zr 原子的存在,能提高TiN 薄膜的耐腐蚀性能。本研究课题以纯钛靶及纯锆靶为靶材,采用反应磁控溅射工艺在玻璃和高速刚上沉积氮化钛和(Ti,Zr)N 薄膜,通过紫外-可见分光分度计和X 射线衍射仪及扫描隧道显微镜测试分析,讨论了工艺参数对氮化钛薄膜机械性能、光学性能和结构的影响,研究了Zr 掺杂对(Ti,Zr)N 薄膜性能与结构的影响。采用射频反应磁控溅射纯锆靶制备了透明硬质薄膜,并对其性能进行了研究。研究表明:氮化钛和(Ti,Zr)N 薄膜为多晶态,氮流量决定了氮化钛薄膜的结构和性能,增加氮流量能使氮化钛薄膜的结构向面心立方结构转变,从而得到性能良好的氮化钛薄膜;施加负偏压能优化氮化钛晶粒和减少薄膜中的缺陷,使膜层变得更致密,从而提高薄膜硬度;氮化钛主要遵循自由载流子光吸收,氮含量较少时薄膜中的自由电子数目较多,随着氮含量的增加,薄膜中的自由电子数目不断减少,反射率逐渐降低,等离子体频率向低能端移动,从而使薄膜颜色出现规律变化, 由金属色银白色到淡黄、金黄再到红黄,并且薄膜亮度呈下降趋势;金黄色的(Ti,Zr)N 薄膜中存在TiN 和ZrN 的分离相,但其为单一的面心立方结构并具有(111)面择优取向;相对于TiN 薄膜,Zr 掺杂后,并没有使薄膜的导带、价带和禁带发生变化,只是在TiN 禁带内增加了新能级,这也正是掺杂Zr 后,薄膜仍

论文目录:

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 国内外研究现状

1.2 常用的薄膜制备工艺

1.2.1 溅射沉积

1.2.2 离子镀

1.2.3 离子束增强沉积

1.2.4 化学气相沉积

1.2.5 其它沉积方法

1.3 应用

1.3.1 在机械领域的应用

1.3.2 在仿金行业的应用

1.3.3 在建筑装饰行业的应用

1.3.3 在半导体行业的应用

1.3.4 在临床医学领域的应用

1.3.5 在传媒介质的应用

1.3.6 其它方面的应用

1.4 目前存在的问题

1.5 本课题研究的目的及意义

2 溅射镀膜原理

2.1 溅射机理及特点

2.2 基本溅射类型

2.2.1 直流溅射

2.2.2 射频溅射

2.2.3 反应溅射

2.2.4 磁控溅射

3 实验

3.1 实验设备及材料

3.2 基片前处理

3.3 薄膜的制备

3.3 薄膜的性能测试

4 氮化钛薄膜的性能和结构研究

4.1 工艺参数对氮化钛薄膜机械性能和结构的影响

4.1.1 氮分量对氮化钛薄膜机械性能和结构的影响

4.1.2 负偏压对氮化钛薄膜机械结构和性能的影响

4.1.3 功率对氮化钛薄膜性能的影响

4.1.4 其他溅射因素对氮化钛薄膜机械性能的影响

4.1.5 氮化钛薄膜表面形貌分析

4.2 氮流量对氮化钛薄膜光学性能的影响

4.2.1 氮流量对氮化钛薄膜光学性能的影响

4.2.2 氮化钛薄膜电子结构分析

5 (Ti,Zr)N 薄膜制备及性能研究

5.1 掺杂方式对(Ti,Zr)N 薄膜性能的影响

5.2 相对掺杂量对(Ti,Zr)N 薄膜性能的影响

5.3 金黄色(Ti,Zr)N 薄膜的性能和结构研究

5.3.1 金黄色(Ti,Zr)N 薄膜光学性能分析

5.3.2 X 射线衍射分析

5.3.3 金黄色(Ti,Zr)N 薄膜的表面形貌

5.3.4 金黄色(Ti,Zr)N 薄膜的能带结构

5.3.5 金黄色(Ti,Zr)N 薄膜显微硬度

5.3.6 金黄色(Ti,Zr)N 薄膜耐腐蚀性能

5.4 本章小结

6 透明氮化锆薄膜的制备及性能研究

6.1 氮化锆薄膜的可见光透射率分析

6.2 氮化锆薄膜的表面形貌分析

6.3 氮化锆薄膜电子结构分析

6.4 氮化锆薄膜显微硬度

6.5 氮化锆薄膜耐腐蚀性能

6.6 氮化锆薄膜光电子能谱分析

6.7 本章小结

7 结论

致谢

参考文献

附录

独创性声明

学位论文版权使用授权书

发布时间: 2005-11-07

参考文献

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