Titannitridfilmer

Når sputtered eller fordampet, er titan et meget reaktivt metall som lett danner nitrider, oksider eller karbider. Titanitrid (TiN) har en NaCl-struktur som er stabil over et bredt sammensetningsintervall som tillater både under- og overstoichiometriske faser. Ved lavt nitrogeninnhold i en inert bærer (f.eks. Argon) er også en Ti ₂ N-fase mulig.

Titan nitrid har høy hardhet og høy motstand mot korrosjon og lav elektrisk resistivitet noe lavere enn ren Ti. Videre kan tynne TiN-filmer vise hardhet mye høyere enn og resistivitet mye lavere enn likevektsverdier. En av de mest utbredte bruksområder av TiN-filmer er i slitasjebeskyttelse av skjæreverktøy som øvelser og møller og av verktøybiter laget av verktøystål eller høyhastighetsstål. På hardmetallsinnsatser for å dreie og fresere TiN-filmer, er det ytterste laget i et flerlags belegg. For denne applikasjonen er CVD den mest anvendte avsetningsmetoden på grunn av muligheten til å belegge meget store partier samtidig.

I mikroelektronikken er TiN brukt som gate-metall i MOS-strukturer på grunn av den lave resistiviteten, men også som en diffusjonsbarriere. Den støkiometriske (Ti / N = 1) TiN ligner på det sterkeste gull visuelt, og dette gjør det populært for dekorative belegg for klokker og andre gjenstander. Titanitrid er biokompatibelt materiale, og denne egenskapen har gitt anledning til et stort bruksområde i medisin, for eksempel kirurgiske implantater. Typiske egenskaper ved et kommersielt tribologisk TiN-belegg (Balinit ® A) er en hardhet på 2300 HV og en termisk stabilitet på opptil 600 ° C. Den store industrielle interessen og det brede utvalget av applikasjoner for TiN-tynne filmer har ofte gjort dem populære forskningsobjekter der mange forskjellige PVD-metoder har blitt testet, og resulterende filmegenskaper er studert.

Noen vanlige eksempler på ofte brukte PVD-metoder er elektronstrålefordampning, magnetronsputtering og katodisk bueavsetning. En taiwansk gruppe har studert TiN-avsetning ved hjelp av en reaktiv hule katodeutladnings-ionplating (HCD-IP) -teknikk. I denne metoden brukes en RF-hulkatode som en høyspenningsspenningselektronpistol for elektronstrålefordampning av en Ti-smeltedigel og for samtidig ionisering av metallatomer og gass (Ar og N2 ) molekyler. Typiske avsetningsvilkår er en RF-effekt på 6 kW, et arbeidstrykk på 0,29 Pa (2,2 mTorr) og en påført DC-substratforspenning på -40V.

Den foretrukne orientering av de oppnådde TiN-filmene var for de fleste avsetningsbetingelser spesielt for filmsticker enn 1 um. Filmens hardhet økte med økende TiN teksturkoeffisient og den var mettet ved 28 GPa da koeffisienten nærmet seg enhet. Gruppen har også studert innflytelsen av ionbombardement på foretrukket orientering i krystallinske TiN-filmer ved å variere biaspenningen, avsetningskraften og nitrogenpartialtrykket. Jonbombardementet ble funnet å forårsake belastningsakkumulering eller gitterskade og den foretrukne orienteringen ved lave avsetningstemperaturer bestemmes av hvilke av disse fenomenene som dominerer. Den foretrukne orienteringen utvikler seg ved stammeakkumulering og orienteringen ved gitterskader. Den termodynamisk gunstige orienteringen oppstår når ingen ionbombardement er tilstede. Videre undersøkte gruppen hvordan porøsiteten av TiN-filmer ble påvirket av avsetningstemperaturen, avsetningstid og ionbombardement. De konkluderer med at lange avsettingstider eller høye temperaturer og en høy grad av ionbombardement reduserer porøsiteten, og at ionbombardement også påvirker kornstørrelse og foretrukket orientering. Tette filmer har enten store korn eller små korn med høy teksturkoeffisienter.

Kommersielle teknikker for reaktiv magnetron-sputtering har ofte blitt brukt for deponering av TiN-filmer. Guruvenket et al. har studert påvirkning av ionbombardement og substratorientering på egenskaper av TiN-filmer avsatt på Si-underlag i et DC-plan magnetronsystem. Filmer avsatt ved et totalt trykk på 0,1 Pa med negativ forspenning på Si-substrater hadde en foretrukket orientering av TiN mens det var TiN for filmer avsatt på Si-substrat. Kornstørrelsen reduseres når bias reduseres fra +20 V til negative verdier, men forblir nesten konstant for bias ned til -60 V. Ved negativ forspenning var kornene mindre på Si enn på Si. Innflytelsen av nitrogenpartialtrykk på egenskapene til reaktive DC magnetron-sputterte TiN-filmer har blitt undersøkt av Meng et al. Filmer med foretrukket orientering ble avsatt på uoppvarmede glassubstrater ved et totalt trykk på 0,8 Pa mens nitrogentalltrykket var variert fra 0,08 til 0,3 Pa. Resultatene var at TiN-teksturkoeffisienten ble redusert med økende nitrogenpartialtrykk mens kornstørrelsen økte. Andre vanlige metoder for avsetning av titanitrid-tynne filmer er basert på katodisk bueavsetning. To slike metoder ble presentert av Martin et al. : filtrert bueavsetning (FAD) og ionassistert lysbueavsetning (IAAD). FAD har blitt brukt til TiN-avsetning på oppvarmede og forspente Si og stålunderlag (350 ° C) i en nitrogenatmosfære. I dette oppsettet kan stress og hardhet styres ved å variere forspenningen.

I IAAD er en nitrogenjonskilde som leverer N ₂ + -ioner med en fast energi på 500 eV, lagt til FAD-systemet. Dette oppsettet tillater avsetning på uoppvarmede Si- og karbon-underlag med kontroll over støkiometri av ionstrålestrømmen. Avsetningshastighetene var 100 nm / min (6 μm / t) for begge oppsett. Innflytelsesbetingelsene på krystall og mikrostruktur har blitt studert ganske omfattende, og flere modeller har blitt presentert. En av disse modellene ble presentert av Zhao et al. og kalt "Total energimodell". Modellen tar sikte på å forklare utviklingen av foretrukket orientering i TiN-filmer avsatt av en forspent filtrert bueavsetningsmetode og er fokusert på ionbombardementet av filmen. Den er basert på minimering av en total energi som er summen av overflatenergi, belastningsenergi og en "stoppende energi" som defineres som tettheten av den avsatte energien av ioner i en viss krystallinsk retning. Ved liten filmtykkelse dominerer overflatenergien over belastningsenergien, og den foretrukne TiN-orienteringen bør være. Ved en økende filmtykkelse eller en økende forspenning blir belastningsenergien dominerende som fører til en foretrukket orientering av TiN. Ved en meget høy forspenning oppstår en oppmating, og stoppenergien blir dominerende og TiN-retningen blir den foretrukne. Andre forskere har brukt Thornton struktur sone modellen opprinnelig utviklet for sputtering av rene metall filmer også for TiN film deponering. Alle disse funnene og tilnærmingene er svært viktige i forståelsen av egenskapene til filmer avsatt i ikke-konvensjonelle systemer som det som brukes i dagens doktorgrad.