双脉冲电场峰值电流及沉积时间对TiN薄膜结构与性能的影响

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依据等离子体物理学中气体放电理论基础，将气体放电引入强辉弱弧区间时，镀料粒子会以“碰撞电离加阴极热电子发射”方式脱离靶面，并获得较高的离化率和较高的密度。本文通过构建一个脉冲周期内先小后大递进式的双脉冲电场环境，将气体放电引入强辉弱弧区间，同时可利用前期弱离化阶段的原子电离降低后期强离化阶段的极间场强，并通过减少高离化镀料粒子再次返回阴极靶面的几率，从而提升薄膜的平均沉积速率。本课题在双脉冲电场模式下，通过改变峰值电流与沉积时间，在GCr15基体上沉积TiN薄膜，讨论其对TiN薄膜微观结构、形貌、化学成分、硬度、膜基结合强度、耐蚀性的影响规律。研究结果表明：在相同平均电流条件下，利用双脉冲电场制备的TiN薄膜相较于直流电场制备的TiN薄膜，具有较高的有效沉积速率，说明利用双脉冲电场将气体放电引入至强辉弱弧区可使沉积粒子获得较高的离化率和脱靶数量。同时，在双脉冲电场模式下，随着峰值电流的增大，TiN薄膜的平均沉积速率逐渐增大，且慢慢接近于直流电场模式下 TiN薄膜的沉积速率，且薄膜的结晶度有所提高，择优取向也随之发生转变，薄膜表面粗糙度逐渐变小，薄膜表面较为平整。通过对TiN薄膜力学和耐腐蚀性能的研究发现：在双脉冲电场模式下，峰值电流的增大对TiN薄膜的力学性能有明显的影响。峰值电流为 7.5A时所制备TiN薄膜表现最大的硬度和弹性模量（28.5GPa和323.7GPa）明显高于直流模式（15.1GPa和228.0GPa），同时具有较好的韧性以及耐蚀性(腐蚀速率为 1.3×10-4mm/a)。通过对双脉冲电场不同沉积时间下制备的TiN薄膜结构与性能的研究发现，随着沉积时间的延长，TiN薄膜表面粗糙度增大，结晶度明显增强，平均晶粒尺寸也逐渐增大，由9.71nm显著增大到16.8nm，薄膜厚度增加。薄膜内应力呈增大趋势，但内应力值均较小。薄膜硬度与弹性模量呈增大趋势，当沉积时间为150min时，制备的TiN薄膜较其他沉积时间下制备的TiN薄膜，具有较大的硬度(31.3GPa)和弹性模量(348.2GPa)，TiN 薄膜表现出较小的腐蚀电流密度Icorr（1.1×10-8A/cm2）和腐蚀速率Vcorr（5.9×l0-5mm/a）。

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作者
张静;
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作者单位

西安理工大学;

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授予单位西安理工大学;
学科材料学
授予学位硕士
导师姓名蒋百灵;
年度 2018
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类环境化学;半导体技术;
关键词
脉冲电场; 峰值电流; 沉积时间; TiN薄膜; 结构与性能;

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