تیتانیوم نیترید فیلم

تیتانیوم هنگامی که به صورت اسپری یا تبخیر شده، یک فلز بسیار واکنشی است که به راحتی نیترید، اکسید و کاربید را تشکیل می دهد. نیترید تیتانیوم (TiN) دارای یک ساختار NaCl است که در طول بازه گسترده ای از ترکیب باقی مانده است که اجازه می دهد تا فازهای زیر و بیش از حد اتمسفر باشد. در محدوده نیتروژن پایین در یک حامل inert (مثلا آرگون) نیز یک فاز Ti ₂ N امکان پذیر است.

نیترید تیتانیوم دارای سختی بالا و مقاومت بالا در برابر خوردگی و مقاومت الکتریکی کمتری نسبت به Ti است. علاوه بر این، فیلم های TiN نازک می تواند سختی بسیار بالاتر از مقاومت نشان می دهد و مقاومت بسیار کمتر از مقادیر حجمی تعادل است. یکی از گسترده ترین کاربردهای فیلم های TiN در محافظت از ابزارهای برش مانند دریل و کارخانه و بیت ابزار ساخته شده از فولاد ابزار یا فولاد با سرعت بالا است. در درجهای سختی برای چرخاندن و صیقلی کردن پلیمرهای TiN اغلب لایه خارجی در یک پوشش چند لایه است. برای این نرم افزار، CVD یکی از روش های مناسب برای رسوب دادن است که به دلیل امکان پوشاندن سطوح بسیار بزرگ در یک زمان می باشد.

در میکروالکترونیک TiN به عنوان یک فلز دروازه در سازه های MOS به علت مقاومت کم، بلکه به عنوان مانع نفوذ استفاده می شود. استوانه (Ti / N = 1) TiN بسیار شبیه به طلا به صورت بصری است و این امر برای پوشش های تزئینی برای ساعت ها و دیگر اشیاء محبوب است. نیترید تیتانیوم مواد سازگار با محیط زیست است و این ویژگی موجب ایجاد زمینه وسیعی از کاربرد در پزشکی، مانند ایمپلنت های جراحی شده است. خصوصیات معمول یک پوشش TiN تجاری تجاری (Balinit A) سختی 2300 HV و پایداری حرارتی تا 600 درجه سانتیگراد است. علاقه صنعتی صنعتی و طیف گسترده ای از کاربردهای فیلم های نازک TiN اغلب آنها را به اشیاء تحقیقاتی محبوب تبدیل می کنند که در آن بسیاری از روش های مختلف PVD مورد آزمایش قرار گرفته و خواص حاصل از آن بررسی شده است.

بعضی از نمونه های رایج از روش های PVD که اغلب استفاده می شود عبارتند از: تبخیر الکترون الکترونی، اسپکترومغناطیس مگنترون و رسوب قوس کاتدی. یک گروه تایوان، رسوب TiN را با روش یون سازی تخلیه توخالی کاتد توخالی (HCD-IP) مورد مطالعه قرار داده است. در این روش یک کاتد توخالی RF به عنوان یک الکترون الکترونیکی با قدرت بالا برای تبخیر الکترون الکترونی یک Ti-crucible و برای یونیزاسیون همزمان اتمهای فلزی و گاز (Ar و N ₂ ) استفاده می شود. شرایط معمول رسوب یک نیروی RF از 6 کیلو وات، فشار کاری 0.29 Pa (2.2 mTorr) و یک سوپاپ DC کاربردی -40V است.

جهت گیری ترجیح داده شده از فیلم های TiN برای بیشتر شرایط رسوب گذاری به ویژه برای فیلم فیلم ها از 1 میکرومتر است. سختی فیلم با افزایش ضریب بافت TiN افزایش یافت و در 28 GPa به عنوان ضریب تقریبی وحدت اشباع شد. این گروه همچنین با تأثیر تغییر ولتاژ، نیروی رسوب و فشار جزئی نیتروژن بر روی بمباران یون در جهت گزینشی در فیلمهای TiN بلوری مطالعه شده است. بمباران یونی باعث ایجاد انسداد فشار و یا آسیب شبکه می شود و جهت گیری مطلوب در دمای پایین رسوب تعیین می شود که کدام یک از این پدیده هایی است که غالب است. جهت گیری ترجیح داده شده در انباشت فشار و جهت گیری در آسیب شبکه. جهت گیری ترمودینامیکی مناسب زمانی رخ می دهد که هیچ بمباران یونی وجود ندارد. علاوه بر این، گروه بررسی چگونگی تخلخل فیلم های TiN تحت تاثیر دما، زمان رسوب و بمباران یون ها را تحت تاثیر قرار داد. آنها نتیجه می گیرند که زمان بارگیری یا دمای بالا و درجه بالایی از بمباران یون تخریب را کاهش می دهد و بمباران یون نیز بر اندازه دانه و جهت گیری ترجیحی تاثیر می گذارد. فیلم های ضخیم دارای دانه های بزرگ یا دانه های کوچک با ضریب بافت بالا هستند.

تکنیک های تجاری برای اسپکترومغناطیسی واکنش پذیر برای تسریع فیلم های TiN اغلب استفاده می شود. Guruvenket و همکاران. بررسی تأثیر بمباران یون و جهت گیری سوبسترا بر خواص TiN های پوشیده شده بر روی سی دی های سیگنال در یک سیستم مگنترون منظم DC انجام شده است. فیلم هایی که در فشار مجموعی 0.1 پانتر با منفی منفی روی زیربخش سی قرار داشتند، دارای جهت گیری ترجیح TiN بود، در حالی که TiN برای فیلم های پوشیده شده بر روی Substrate Si بود. اندازه دانه هنگام کاهش تعصب از 20 V به مقادیر منفی کاهش می یابد، اما پس از آن تقریبا ثابت باقی می ماند تا به -60 V تغییر کند. در غلظت منفی، دانه ها در Si نسبت به Si کاهش می یابد. تأثیر فشار جزئی نیتروژن بر خواص مونیتورهای TiN اسپکترومغناطیسی DC مگنترون منگ و همکاران مورد مطالعه قرار گرفته است. فیلم هایی با جهت گیری ترجیح داده شده بر روی زیربناهای شیشه ای بدون حرارت در فشار کلی 0.8 PP در حالی که فشار جزئی نیتروژن از 08.08 به 0.3 Pa تغییر داده شد. نتایج نشان داد که ضریب بافت TiN با افزایش فشار جزئی نیتروژن در حالی که افزایش اندازه دانه کاهش می یابد. دیگر روش های معمول برای رسوب نازک تیتانیوم نیترید بر اساس رسوب قوس کاتدی است. دو روش چنین بود که توسط مارتین و همکاران ارائه شد. : رسوب کربن فیلتر (FAD) و رسوب کربن یون (IAAD). FAD برای رسوب TiN بر روی گرما و سوپاپ های Si و فولادی (350 درجه سانتیگراد) در جو نیتروژن استفاده شده است. در این تنظیم، تنش و سختی را می توان با تغییر دادن تعصب کنترل کرد.

در IAAD منبع یونی نیتروژن، که یونهای N ₂ + را با انرژی ثابت 500 eV تامین می کند، به سیستم FAD اضافه می شود. این تنظیم اجازه می دهد تا رسوب روی سطوح سی و غیر کربن بدون حرارت با کنترل جریان استوکیومتری توسط جریان پرتو یونی. نرخ رسوب 100 نانومتر در دقیقه (6 میکرون در ساعت) برای هر دو تنظیم بود. تأثیر شرایط رسوب بر روی کریستال و ریزساختار بسیار گسترده بوده و چندین مدل ارائه شده است. یکی از این مدل ها توسط ژائو و همکاران ارائه شد. و "مدل انرژی کلی" نامیده می شود. این مدل با هدف توضیح تکامل جهت گیری ترجیح داده شده در فیلم های TiN پوشیده شده توسط یک روش رسوب قوس فیلتر فیلتر شده و بر روی بمباران یون های فیلم تمرکز دارد. این بر مبنای به حداقل رساندن انرژی کل است که مجموع انرژی سطح، انرژی فشار و انرژی متوقف شده است که به عنوان چگالی انرژی ذخیره شده یون ها در طول یک جهت بلوری مشخص تعریف می شود. در ضخامت فیلم کوچک، انرژی سطحی بیش از انرژی کرنش غالب است و جهت گیری TiN مورد نظر باید باشد. در ضخامت فیلم یا افزایش تعصب، انرژی کرنش غالب می شود که منجر به جهت گیری ترجیح TiN می شود. در یک تعصب بسیار زیاد، وقفه اتفاق می افتد و انرژی متوقف می شود و سلطه TiN را ترجیح می دهد. محققان دیگر مدل مدل ساختاری Thornton را که در ابتدا برای پاشش فیلم های فلزی خالص نیز برای رسوب فیلم TiN طراحی شده بود، اعمال کردند. تمام این یافته ها و رویکردها در درک خواص فیلم های ذخیره شده در سیستم های غیر متعارف مانند آنچه که در کار حاضر دکترا استفاده می شود بسیار مهم است.