氮化鈦薄膜的制備及應(yīng)用

1、氮化鈦薄膜的制備及應(yīng)用l.TiN薄膜的制備方法TiN薄膜的研究工作早在20世紀60年代已開始進行,但因材料和器件制備 上的困難，使研究工作一度轉(zhuǎn)入低潮。后來隨著薄膜制備技術(shù)的提高，國內(nèi)外對 TiN薄膜的研究工作乂開始活躍起來，制備方法也多樣化了，LI前已取得很大進 展。TiN薄膜的制備方法主要可分為物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積兩大類。1. 1物理氣相沉積（PVD）L 1. 1電子束蒸鍍法單純采用真空鍍膜法制備TiN薄膜在國內(nèi)外很少，這主要因為它有與基片 結(jié)合較差、工藝重復(fù)性不好的缺點。U前國內(nèi)外用得最多的真空鍍膜法是電子束 蒸鍍方法。它是一種利用電子束打到待蒸發(fā)材料表面將能量傳遞給待蒸發(fā)材料使

2、其熔化并蒸發(fā)的方法。它具有能量密度大，熱效率高，熱傳導(dǎo)和熱輻射的損失少 等特點，可減少容器材料與鍍料之間的反應(yīng)。可以很大程度地提高TiN類鍍膜 的純度。1. 1. 2濺射鍍膜法磁控濺射制備TiN薄膜技術(shù)主要有直流磁控濺射和射頻磁控濺射（使用陶瓷 TiN靶材）兩種，最近乂出現(xiàn)了非平衡磁控濺射和反應(yīng)濺射。其中反應(yīng)濺射方法 因其獨特的優(yōu)點最早和最多地使用在TiN薄膜制備上。另外非平衡磁控濺射方 法也是一種國內(nèi)外常用的濺射方法，磁控濺射制備TiN薄膜具有濺射率高、基 片溫升低、膜基結(jié)合力好、裝置性能穩(wěn)定、操作控制方便等優(yōu)點。同時它也有一 些缺點，例如它的沉積速率較底，效率較差，對降低沉積成本不利，因此

3、磁控濺 射方法僅應(yīng)用于光學(xué)、微電子學(xué)等對TiN涂層要求較高的領(lǐng)域。1. 1. 3電弧離子鍍20世紀80年代以來，離子鍍制備TiN鍍層已發(fā)展成為世界范同的一項高新 技術(shù)，主要應(yīng)用在制備高速鋼和硬質(zhì)合金工具上的或相關(guān)體系的耐磨鍍層和不銹 鋼制品上的仿金裝飾鍍層上。進入20世紀90年代，離子鍍技術(shù)有了長足的進步, 在離子鍍技術(shù)中訂前應(yīng)用最多的是電弧離子鍍（也稱多弧離子鍍），它已取代了其 他各種類型的離子鍍，成為當(dāng)前氮化鈦鍍層工業(yè)唯一的生產(chǎn)工藝。在電弧離子鍍 沉積TiN涂層的過程中，影響涂層結(jié)構(gòu)和性能的因素有弧電流、襯底負偏壓、襯 底溫度、氮氣的分壓、腔體壓強等。1. 1. 4等離子體浸沒式離子注入技

4、術(shù)等離子體浸沒式離子注入技術(shù)(PIII)制備TiN薄膜方法最早III Conrad教授發(fā) 明，他發(fā)現(xiàn)PIII技術(shù)能同時對一批工件進行注入處理。因此這種方法的工藝和設(shè) 備非常簡單，能較大幅度地降低生產(chǎn)成本，在制備TiN薄膜方面有很好的應(yīng)用價 值。等離子體浸沒式離子注/k是在PIII過程中，等離子體中的被注元素在強電場 力作用下，全方位地垂直注入到所有表面內(nèi)的一種沉積方法。1. 2化學(xué)氣相沉積法CVD1. 2. 1普通化學(xué)氣相沉積法CVDCVD法是20世紀60年代發(fā)展起來的制備無機材料的新技術(shù)，國外在CVD 法制備TiN薄膜方面技術(shù)非常成熟。早在20世紀60年代末，瑞典Sandwick公 司用CV

5、D技術(shù)在硬質(zhì)合金刀具上沉積了 TiN涂層，由于CVD技術(shù)成本較低, 且TiN涂層顯著地延長了刀具壽命，因而迅速實現(xiàn)了商業(yè)化。N涂層化學(xué)氣相 沉積相對于PVD方法具有成膜速度快、鍍膜繞射性好、鍍層純度高、結(jié)晶完全、 沉積表面光滑、輻射損傷低等特點。但是山于裝置需要高溫度、高真空等環(huán)境條 件的要求，因而其推廣應(yīng)用受到了很大的限制。1. 2. 2等離子體增強化學(xué)氣相沉積20世紀90年代以來應(yīng)用發(fā)展的脈沖直流PCVD鍍層技術(shù)，在制備Ti上取 得很大進展，它可以顯著改善鍍層的微觀結(jié)構(gòu)和性能，并已在各種工業(yè)用刀具、 模具上初步使用，取得了定效果，前國內(nèi)外PCVD鍍膜法發(fā)展得非?？臁５?離子體化學(xué)氣相沉積方

6、法，不僅具有CVD的良好繞鍍性。而且它還比CVD法 得到的膜層針孔少、組織致密、內(nèi)應(yīng)力小、不易產(chǎn)生微裂紋。日前國內(nèi)外釆用的 PCVD電源主要有直流、射頻和微波三種。1. 2. 3激光化學(xué)氣相沉積激光化學(xué)氣相沉積(LCVD)制備TiN薄膜是種非常吸引人的制備方法。最關(guān) 鍵之處是通過它可以獲得高質(zhì)量、無損傷的TiN薄膜。這一技術(shù)制備的TiN薄 膜從LI前看來具有非常廣闊的應(yīng)用前景，近階段LCVD法合成TiN陶瓷薄膜技 術(shù)發(fā)展得非常迅速。激光化學(xué)氣相沉積(LCVD)是利用激光束實現(xiàn)薄膜的一種化 學(xué)氣相沉積方法，它充分利用了激光的能量密度高，加熱速度快等特點，沉積速 度大大加快。它較普通CVD主要有低

7、溫化、低損傷、加工精細化以及選擇生長 等方面的優(yōu)點口?？谇皣鴥?nèi)在激光化學(xué)氣相沉積方面的技術(shù)已經(jīng)達到國際先進水 平。2. TiN薄膜的應(yīng)用研究2. 1機械加工工業(yè)3平等地提;TiN薄膜可以減輕切削刃邊材料的附著，提高切削力，改善工件的表面質(zhì)量, 成倍增加切削工具的使用壽命和耐用度。因此，TiN薄膜被廣泛用于低速切削工 具、高速鋼切削、木板切削刀具和鉆頭的涂覆上。另外，TiN也是磨損部件的理 想耐磨涂層，特別是山于其低的黏著傾向拓寬了在許多磨損系統(tǒng)中的應(yīng)用，如汽 車發(fā)動機的活塞密封環(huán)、各種軸承和齒輪等：此外，TiN還廣泛應(yīng)用于成型技術(shù) 工具涂層，如汽車工業(yè)中薄板成型工具的涂層等。2. 2醫(yī)學(xué)工業(yè)T

8、iN薄膜無毒、質(zhì)輕、強度高且具有優(yōu)良的生物相容性，因此它是非常理想 的醫(yī)用金屬材料，可用作植入人體的植入物和手術(shù)器械等閻。此外，氮化鈦薄膜 還能作為其他優(yōu)良生物相溶性薄膜的增強薄膜。國外的Nelea等人通過鍍制TiN 薄膜中間層大幅度提高了醫(yī)用常用材料羥磷灰石薄膜(HA)的機械性能和附著 力。2. 3航空航天用TiN薄膜涂覆在IF-MS2上。可以提高二鉗化硫潤滑劑的耐磨性。用TIN 薄膜涂覆在IF-MS2 ±,因為它具有的高硬度、高熔點、高磨損抵抗力，優(yōu)良 的化學(xué)穩(wěn)定性等特點，因此可以在提高飛機和航天器的發(fā)動機等零件的潤滑性能 的同時，又可以保證航天零件的耐高溫和耐摩擦性能。2. 4太陽能應(yīng)用領(lǐng)域TiN薄膜