高功率脉冲磁控溅射制备的TiN薄膜应力释放及其结合稳定性研究

摘要

目的探究高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)制备的氮化钛(TiN)薄膜在自然时效过程中,应力、薄膜/基体结合性能随时间的变化规律。方法采用高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)技术,通过调控基体偏压(-50、-150V),制备出具有不同残余压应力(3.18、7.46GPa)的TiN薄膜,并采用基片曲率法、X射线衍射法、划痕法和超显微硬度计评价了薄膜的应力、薄膜/基体结合性能、硬度随时间的变化规律。结果在沉积完成后1h内,-50V和-150V基体偏压下制备的TiN薄膜压应力分别在3.12~3.39GPa和7.40~7.55GPa范围内波动,薄膜压应力没有发生明显变化;沉积完成后1~7天,平均每天分别下降28.57MPa和35.71MPa;7~30天,平均每天分别下降2.08MPa和2.50MPa;30~60天内,平均每天分别下降1.67MPa和7.00MPa。其压应力连续下降,且均表现出前期下降速率快,后期下降逐渐放缓的趋势。自然放置60天后,应力基本释放完毕,薄膜性质基本保持稳定。同时,薄膜/基体结合性能随时间逐渐变差,薄膜硬度下降。结论HPPMS制备的TiN薄膜在自然时效过程中,其残余应力会随时间增加,连续下降,进而影响薄膜的力学性能。