nc-TiN/a-Si3N4纳米复合薄膜的制备与性能研究

摘要

采用实验室自行设计的FDJ600 型高真空多功能薄膜沉积设备，通过离子束溅射、磁过滤阴极弧等离子体沉积、射频耦合感应离子源相复合的方法在单晶硅表面沉积了nc-TiN/a-Si3N4 单层、多层纳米复合薄膜；考察了不同沉积参数对薄膜的结构及机械性能的影响。主要研究内容和结果如下：
　　 1.不同Si 含量（at％）的nc-TiN/a-Si3N4 纳米复合薄膜的制备与机械性能研究
　　 采用离子束溅射与磁过滤阴极弧等离子体共沉积技术在单晶硅片(400)表面沉积了不同Si 含量（at％）的TiN/Si3N4 纳米复合薄膜；分析了复合薄膜的成分和结构，测定了其硬度、弹性模量、摩擦系数、磨损率及膜基结合强度，探讨了Si 含量对薄膜结构和机械性能的影响。结果表明，Si 含量对TiN/Si3N4 纳米复合薄膜的表面形貌、结构及微观机械性能都有较大的影响。薄膜中Ti、Si分别以纳米氮化钛（nc-TiN）和非晶氮化硅（a-Si3N4）形式存在，其中TiN 沿（200）面择优取向；纳米硬度测试表明，薄膜硬度处于22～26 Gpa 范围内，薄膜与氮化硅偶件对摩时的摩擦系数在0.13～0.17之间。当薄膜的Si 含量为10.9％时，其硬度最大(25.6 Gpa)，摩擦系数、磨损率、膜基结合强度最低。随着Si 含量的继续增加，薄膜的摩擦系数、磨损率和膜基结合强度又逐渐增加。由此可知薄膜的微观机械性能与Si 含量密切相关。
　　 2.偏压对nc-TiN/a-Si3N4 纳米复合薄膜的结构与机械性能的影响
　　 采用离子束溅射与磁过滤阴极弧等离子体共沉积技术在单晶硅片(400)表面沉积了nc-TiN/a-Si3N4 纳米复合薄膜，测定了不同基底负偏压下制备的nc-TiN/a-Si3N4 纳米复合薄膜的表面形貌、结构和机械性能，探讨了基底负偏压对其成分、结构和机械性能的影响。结果表明，基底负偏压对nc-TiN/a-Si3N4 纳米复合薄膜的结构和机械性能有较大影响。随着基底负偏压的增加，薄膜的沉积速率大幅度降低。在-100 V基底负偏压下制备的薄膜的Si 含量（at％）最高、Ti 含量（at％）最低。在0 ～-300 V 范围内，随着负偏压的增加，薄膜中的TiN 择优取向面由（200）转变为（111）；当负偏压达到-300 V 时，薄膜中的TiN 转变为非晶形态。薄膜中的TiN以多晶形式存在，柱状晶在-100 V 偏压下变得较为致密、均匀。非晶Si3N4 包覆在TiN 纳米晶粒周围，择优取向较为明显。当基底负偏压为-100 V 时，薄膜的硬度达到46 Gpa，出现超硬效应，此时薄膜的氧含量最低。与此同时，-100 V 时薄膜的表面粗糙度降至最低，膜基结合强度最高；随着偏压的继续增加，薄膜的表面粗糙度逐渐增大、膜基结合强度逐渐降低。综合看来，偏压-100V 时制备的nc-TiN/a-Si3N4 纳米复合薄膜的综合性能最佳。
　　 3.Nc-TiN/a-Si3N4 纳米复合多层薄膜的制备与机械性能研究
　　 采用离子束溅射与磁过滤阴极弧等离子体共沉积技术在单晶硅片(400)表面沉积了硬度由低到高的nc-TiN/a-Si3N4 梯度多层纳米复合薄膜，研究了其表面形貌、内部结构及机械性能。结果表明，与纳米复合单层膜相比，纳米复合多层梯度膜均存在超硬现象。
　　 随着较高硬度单层厚度的增大（对应多层膜的层差由-15 nm 增大至15 nm），薄膜的纳米硬度逐渐增加，且在层差为10 nm 时薄膜的硬度最高。与此同时，层差对薄膜的微观机械性能和摩擦磨损性能也有较大的影响。随着层差的增加，薄膜的膜基结合强度逐渐增强、摩擦系数逐渐增大、磨损率逐渐增大。随着层差的继续增加，薄膜的膜基结合强度逐渐减弱，摩擦系数和磨损率逐渐减小。综合看来，层差为0 nm的纳米复合多层膜的综合性能最佳。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

第二章 nc-TiN/a-Si3N4 纳米复合薄膜的制备与机械性能研究

第三章 基底负偏压对nc-TiN/a-Si3N4 纳米复合薄膜结构和性能的影响

第四章 nc-TiN/a-Si3N4 纳米复合梯度薄膜的制备与性能研究

第五章 结 束 语

硕士期间完成的论文

致谢