硼硅玻璃表面磁控溅射TiAlN/SiN复合膜的结构及高温氧化性能

摘要

凭借丰富的色彩和低廉的价格，硼硅玻璃表面沉积薄膜部分代替微晶玻璃这一理念有望在家电领域实现。利用工业化连续腔室磁控溅射设备，采用 Ti和Al原子比为1：1的大型平面合金靶材和柱状纯硅靶，在氮气和氩气气氛下，通过调控工艺参数在硼硅玻璃表面沉积出黑色的TiAlN，而后传送至后续腔室在TiAlN薄膜表面进行透明SiN保护层的沉积，用以保证TiAlN层在高温氧化的情况下保持黑色不变。
　　利用扫描电镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、透射电镜、纳米压痕仪等手段进行分析。结果显示，TiAlN/SiN复合膜中，内部柱状晶结构的TiAlN层厚度约为300 nm，外部非晶结构的SiN厚度110 nm至260 nm不等，厚度随沉积时间非线性增加。TiAlN及SiN薄膜结构致密，TiAlN层主要沿(111)晶向生长，同时含有(220)、(222)、(200)相。高温氧化后TiAlN(111)相减弱，表面有孔隙生成，氧化温度在700°C，薄膜表面有Al2O3和TiO2生成。硼硅玻璃表面沉积TiAlN/SiN复合膜在600°C高温氧化后保持黑色不变，当氧化温度达到700°C的时候，薄膜颜色开始发生变化，表面有SiO2及Si系氧化物生成，TiAlN(111)相减弱不明显。从截面可观察TiAlN/SiN复合膜表面有氧化层，厚度约为5至10纳米，与SiN均为非晶结构。氧化至900°C薄膜内部TiAlN(111)相逐渐消失TiAlN(220)相减弱明显，随着柱状晶结构的消失及复合膜中Al2O3的生成，薄膜失效。外部SiN层成为隔绝氧气向内部TiAlN层扩散的有效屏障，表面SiO2、Al2O3等氧化物的生成进一步阻碍氧化。单层TiAlN膜硬度为15.5 GPa，高温氧化后硬度有所下降，TiAlN/SiN复合薄膜硬度为16 GPa，高温氧化后硬度整体呈上升趋势。与TiAlN薄膜相比，TiAlN/SiN复合薄膜还具有高的韧性和耐划擦性能。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2微晶玻璃及特种硼硅玻璃的比较

1.3镀膜方法

1.4 TiAlN及SiN薄膜在高温下的氧化

1.5研究意义

第二章 实验与方法

2.1磁控溅射设备

2.2 薄膜制备

2.3检测及分析方法

第三章TiAlN及TiAlN/SiN复合膜的结构

3.1 TiAlN薄膜设计

3.2 TiAlN及TiAlN/SiN复合膜的微观形貌

3.3薄膜成分及化学价态

3.4薄膜的TEM形貌及相结构

3.5本章小结

第四章TiAlN及TiAlN/SiN复合膜的高温氧化性能

4.1薄膜高温氧化前后形貌

4.2薄膜成分及化学价态

4.3薄膜的TEM形貌及相结构

4.4本章小结

第五章 TiAlN/SiN复合膜的力学性能

5.1 薄膜高温氧化对硬度的影响

5.2薄膜高温氧化对结合力的影响

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及获奖情况

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