Titánové nitridové filmy

Pri naprašovaní alebo odparení je titán veľmi reaktívnym kovom, ktorý ľahko vytvára nitridy, oxidy alebo karbidy. Nitrid titánu (TiN) má štruktúru NaCl, ktorá je stabilná v širokom rozmedzí kompozície, čo umožňuje podsadené aj nadhladinometrické fázy. Pri nízkom obsahu dusíka v inertnom nosiči (napr. Argóne) je možná aj fáza Ti2N.

Nitrid titánu má vysokú tvrdosť a vysokú odolnosť voči korózii a nízku elektrickú rezistivitu o niečo nižšiu ako čistý Ti. Navyše tenké TiN filmy môžu vykazovať tvrdosť oveľa vyššiu ako rezistivitu a oveľa nižšiu ako sú rovnovážne objemové hodnoty. Jednou z najrozšírenejších aplikácií fólií TiN je ochrana proti opotrebovaniu rezných nástrojov ako sú vŕtačky a frézy a nástrojové bity vyrobené z nástrojovej ocele alebo vysokorýchlostnej ocele. Na tvrdých kovových vložkách na otáčanie a frézovanie TiN fólie je často najvrchnejšou vrstvou v viacvrstvovom povlaku. Pre túto aplikáciu je CVD najpoužívanejšia metóda depozície vďaka možnosti nanášať veľmi veľké dávky súčasne.

V mikroelektronike sa TiN používa ako hradlový kov v štruktúrach MOS z dôvodu nízkeho odporu, ale tiež ako difúznej bariéry. Stechiometrický Ti (Ti / N = 1) TiN sa veľmi podobá zlatu vizuálne, čo ho robí obľúbeným pre dekoratívne nátery pre hodinky a iné predmety. Nitrid titánu je biokompatibilný materiál a táto vlastnosť dala vzniknúť veľkému okruhu aplikácií v medicíne, napr. Chirurgických implantátoch. Typické vlastnosti komerčného, ​​tribologického TiN povlaku (Balinit® A) majú tvrdosť 2300 HV a tepelnú stabilitu až do 600 ° C. Veľký priemyselný záujem a široká škála aplikácií tenkých vrstiev TiN z nich často robili populárne výskumné objekty, v ktorých boli testované rôzne PVD metódy a výsledné vlastnosti filmu boli študované.

Niektoré bežné príklady často používaných PVD metód sú odparovanie elektrónového lúča, magnetronové rozprašovanie a usadzovanie katódového oblúka. Tchajwanská skupina študovala ukladanie TiN reaktívnou technológiou pokovovania dutou katódou (HCD-IP). Pri tomto spôsobe sa ako vysokotlaková nízkonapäťová elektrónová pištoľ používa vysoko prúdová elektrónová pištoľ na odparenie elektrónového lúča Ti-téglika a na súčasnú ionizáciu atómov kovov a molekúl plynu (Ar a N2 ). Typické podmienky ukladania sú RF výkon 6 kW, pracovný tlak 0,29 Pa (2,2 mTorr) a aplikovaný DC substrátový predpoveď -40V.

Uprednostňovaná orientácia získaných TiN fólií bola pre väčšinu podmienok depozície špeciálne pre striekanie filmov ako 1 um. Tvrdosť filmov stúpla s rastúcim koeficientom textúry TiN a bola nasýtená pri 28 GPa, keď sa koeficient približoval jednotke. Skupina tiež skúmala vplyv iónového bombardovania na preferovanú orientáciu v kryštalických TiN fóliách zmenou biasového napätia, deponovania a parciálneho tlaku dusíka. Bolo zistené, že iónové bombardovanie spôsobuje akumuláciu kmeňa alebo poškodenie mriežky a určuje sa preferovaná orientácia pri nízkych teplotách depozície, ktorý z týchto javov dominuje. Výhodná orientácia sa rozvíja pri akumulácii kmeňa a pri orientácii pri poškodení mriežky. Termodynamicky výhodná orientácia nastáva, keď nie je prítomný žiadny iónový bombardovací systém. Ďalej skupina skúmala, ako bola porozita TiN filmov ovplyvnená teplotou depozície, časom nanášania a bombardovaním iónov. Záverom je, že dlhé doby depozície alebo vysoké teploty a vysoký stupeň iónového bombardovania znižujú pórovitosť a iontové bombardovanie tiež ovplyvňuje veľkosť zrna a preferovanú orientáciu. Husté filmy majú buď veľké zrná alebo malé zrná s vysokými textúrnymi koeficientmi.

Komerčné techniky pre reaktívne magnetronové naprašovanie sa často používajú na nanášanie TiN filmov. Guruvenket a spol. skúmali vplyv iónového bombardovania a orientácie substrátu na vlastnosti TiN filmov uložených na substrátoch Si v DC rovinnom magnetrónovom systéme. Filmy uložené pri celkovom tlaku 0,1 Pa s negatívnym skreslením na substrátoch Si mali výhodnú orientáciu TiN, zatiaľ čo to bolo TiN pre filmy nanesené na substrátoch Si. Veľkosť zrna klesá, keď sa skreslenie znižuje z +20 V na záporné hodnoty, ale potom zostáva takmer konštantné pre skreslenie až na -60 V. Pri negatívnom skreslení boli zrná menšie na Si než na Si. Vplyv parciálneho tlaku dusíka na vlastnosti reaktívnych DC magnetrónových rozstrekovaných TiN fólií bol študovaný Mengom a spol. Filmy s výhodnou orientáciou boli nanesené na nevyhrievaných sklenených substrátoch pri celkovom tlaku 0,8 Pa, zatial čo parciálny tlak dusíka sa menil od 0,08 do 0,3 Pa. Výsledkom bolo, že koeficient textúry TiN poklesol so zvyšujúcim sa parciálnym tlakom dusíka, zatiaľ čo veľkosť zrna sa zvýšila. Ďalšie bežné spôsoby ukladania tenkých vrstiev nitridu titánu sú založené na usadzovaní katódového oblúka. Dve takéto metódy predstavil Martin et al. : filtrovaná oblúková depozícia (FAD) a ionizovaná oblúková depozícia (IAAD). FAD sa používa na ukladanie TiN na ohriaty a predpätený Si a oceľový substrát (350 ° C) v dusíkovej atmosfére. V tomto nastavení by sa stres a tvrdosť mohli kontrolovať zmenou zaujatosti.

V systéme IAAD sa do systému FAD pridáva zdroj dusíka, ktorý dodáva N2 + ióny s pevnou energiou 500 eV. Toto nastavenie umožňuje nanášanie na nevyhrievané Si a uhlíkové substráty s riadením stechiometrie prúdom iónového lúča. Rýchlosti depozície boli 100 nm / min (6 μm / h) pre obe nastavenia. Vplyv depozičných podmienok na kryštál a mikroštruktúru bol študovaný do značnej miery a boli prezentované niekoľko modelov. Jeden z týchto modelov prezentoval Zhao et al. a nazvaný "Celkový energetický model". Cieľom modelu je vysvetliť vývoj preferovanej orientácie v TiN filmoch uložených metodou vynechaného filtrovaného oblúka a je zameraný na iónové bombardovanie filmu. Je založená na minimalizácii celkovej energie, ktorá je súčtom povrchovej energie, deformačnej energie a "zastavovacej energie", ktorá je definovaná ako hustota uloženej energie iónov v určitom kryštalickom smere. Pri malej hrúbke filmu dominuje povrchová energia nad deformačnou energiou a preferovaná orientácia TiN by mala byť. Pri rastúcej hrúbke filmu alebo rastúcej predpojanosti sa kmeňová energia stáva dominantnou, čo vedie k uprednostňovanej orientácii TiN. Pri veľmi vysokom zaujatosti dochádza k reakcii a energia zastavenia sa stáva prevládajúcou a orientácia TiN sa stáva preferovanou. Ďalší výskumníci použili model konštrukčnej zóny Thornton pôvodne vyvinutý na rozprašovanie čistých kovových fólií aj na nanášanie TiN. Všetky tieto zistenia a prístupy sú veľmi dôležité pri chápaní vlastností filmov uložených v nekonvenčných systémoch, ako je ten, ktorý sa používa v súčasnej práci PhD.