Titanyum Nitrür Filmler

Püskürtülür veya buharlaştırıldığında, titanyum, nitrürleri, oksitleri veya karbürleri kolayca oluşturan çok reaktif bir metaldir. Titanyum nitrür (TiN) hem düşük hem de aşırı stokiyometrik fazlara izin veren geniş bir kompozisyon aralığında dengeli bir NaCl yapısına sahiptir. İnert bir taşıyıcıda (örn., Argon) az azot içeriğinde, bir Ti2N fazı da mümkündür.

Titanyum nitrür yüksek bir sertliğe ve korozyona karşı yüksek dirence ve saf Ti'den biraz daha düşük bir düşük elektrik direncine sahiptir. Ayrıca ince TiN filmleri, denge yığın değerlerine göre çok daha yüksek ve direnç çok daha düşük sertlik gösterebilir. TiN filmlerinin en yaygın uygulamalardan biri, matkap ve değirmenler gibi alet kesme takımlarının aşınma koruması ve alet çeliğinden veya yüksek hızlı çelikten yapılan alet uçlarının korunması içindir. Torna ve frezeleme için sert metal insertler üzerine TiN filmleri genellikle çok tabakalı bir kaplamanın en dış tabakasıdır. Bu uygulama için CVD aynı anda çok büyük partilerin kaplanması olasılığı nedeniyle en çok kullanılan çökelme yöntemidir.

Mikroelektronikte TiN düşük özdirenç nedeniyle MOS yapılarında bir geçit metali olarak kullanılır, aynı zamanda difüzyon bariyeri olarak da kullanılır. Stokiyometrik (Ti / N = 1) TiN, altına görsel açıdan oldukça benzer; bu da saatler ve diğer nesneler için dekoratif kaplamalar için popüler hale getirir. Titanyum nitrid, biyolojik olarak uyumlu bir materyaldir ve bu özellik, cerrahi implantlar gibi tıpta geniş bir uygulama alanı oluşturmuştur. Ticari tribolojik bir TiN kaplamanın (Balinit® A) tipik özellikleri 2300 HV'lik bir sertlik ve 600 ° C'ye kadar bir termal stabilitedir. Büyük endüstri ilgisi ve TiN ince filmleri için çok çeşitli uygulamalar, çoğu zaman, birçok farklı PVD metodunun test edildiği ve sonuçta oluşan film özelliklerinin incelendiği popüler araştırma nesneleri haline getirdi.

Sıkça kullanılan PVD yöntemlerinin bazı yaygın örnekleri elektron ışını buharlaştırma, magnetron püskürtme ve katodik ark depolanmasıdır. Tayvanlı bir grup, reaktif bir içi boş katot deşarj iyonu kaplama (HCD-IP) tekniği ile TiN birikimini inceledi. Bu yöntemde bir RF içi boş katot, bir Ti-pota elektron ışınının buharlaştırılması için ve metal atomlarının ve gazın (Ar ve N2 ) moleküllerinin eşzamanlı iyonlaşması için yüksek akımlı düşük gerilim elektron tabancası olarak kullanılır . Tipik birikim koşulları 6 kW'lık bir RF gücü, 0.29 Pa (2.2 mTorr) çalışma basıncı ve -40V uygulanan bir DC substrat önyüklemesidür.

Elde edilen TiN filmlerinin tercih edilen yönlendirme, özellikle 1 um'den daha fazla fıltrasyon için çoğu birikim koşulları içindir. Filmlerin sertliği, artan TiN doku katsayısıyla arttı ve katsayı birliğe yaklaştığında 28 GPa'da doymuş hale geldi. Grup, ayrıca, ön gerilim voltajını, birikim gücünü ve nitrojen kısmi basıncını değiştirerek, kristalin TiN filmlerindeki tercih edilen oryantasyon üzerine iyon bombardımanının etkisini inceledi. İyon bombardımanının gerilme birikimi veya kafes hasarına neden olduğu bulunmuştur ve düşük çökelme sıcaklıklarında tercih edilen yönlendirme, hakim olan bu fenomenlerden hangisi tarafından belirlenir. Tercih edilen yönlenme gerinim birikiminde ve örgü hasarında yönelimde gelişir. Termodinamik açıdan olumlu yönlendirme, iyon bombardımanı olmadığında gerçekleşir. Ayrıca grup, TiN filmlerinin gözenekliliğinin, birikim sıcaklığı, çökelme süresi ve iyon bombardımanından nasıl etkilendiğini araştırdı. Onlar, uzun çökelme sürelerinin veya yüksek sıcaklıkların ve yüksek miktardaki iyon bombardımanının gözenekliliği azalttığını ve bu iyon bombardımanının tane boyutu ve tercih edilen yönlendirmeyi etkilediği sonucuna vardılar. Yoğun filmlerin büyük taneleri veya yüksek doku katsayılarına sahip küçük taneleri vardır.

TiN filmlerin birikimi için reaktif magnetron püskürtme için ticari teknikler sıklıkla uygulanmıştır. Guruvenket ve ark. bir DC planar magnetron sisteminde Si substratlar üzerine birikmiş TiN filmlerin özellikleri üzerine iyon bombardımanı ve substrat yöneliminin etkisini inceledi. Si levhaları üzerinde negatif önyargı ile toplam 0.1 Pa'lık bir basınca tevdi edilen filmler tercih edilen TiN yönelimine sahipken, Si alt tabakaları üzerinde biriktirilen filmler için TiN olmuştur. Tanecik boyutu, önyargı +20 V'dan negatif değerlere düştüğünde azalır, ancak daha sonra -60 V'a kadar olan gerilim için neredeyse sabit kalır. Negatif önyargıda, tanelerde Si'den daha Si'de daha küçüktür. Reaktif DC magnetron püskürtülmüş TiN filmlerin özellikleri üzerindeki azot kısmi basıncının etkisi Meng ve ark. Tarafından incelenmiştir. Tercih edilen yönelimli filmler, 0,8 Pa'dan 0,3 Pa'ya değişirken, ısıtılmamış cam alt tabakalara 0,8 Pa'lık toplam basınca tabi tutuldu. Sonuçlar, tane boyutu arttıkça nitrojen kısmi basıncının artmasıyla birlikte TiN doku katsayısının azaldığı idi. Titanyum nitrit ince filmlerinin birikimi için diğer yaygın yöntemler, katodik ark birikimine dayanmaktadır. Bu tür iki yöntem Martin et al tarafından sunulmuştur. : filtrelenmiş ark depolanması (FAD) ve iyon destekli ark depolanması (IAAD). FAD, nitrojen atmosferinde ısıtılmış ve önyargılı Si ve çelik alt tabakalarda (350 ° C) TiN birikimi için kullanılmıştır. Bu kurulumda gerilimi ve sertliği önyargı değişikliği yapılarak kontrol edilebilir.

IAAD'da , 500 eV'lik sabit enerjili N2 + iyonları sağlayan bir azot iyonu kaynağı, FAD sistemine eklenir. Bu kurulum, ısıtılmamış Si ve karbon substratlar üzerinde stokiyometri üzerinde kontrol ile iyon demeti akımı birikimine izin verir. Her iki kurulum için de biriktirme oranları 100 nm / dakika (6 μm / saat) idi. Kristal ve mikroyapı üzerindeki birikim koşullarının etkisi oldukça kapsamlı olarak incelenmiş ve birkaç model sunulmuştur. Bu modellerden bir tanesi Zhao ve ark. Tarafından sunulmuştur. ve "Genel enerji modeli" adı verildi. Model, önyargılı filtrelenmiş bir ark çöktürme yöntemi ile çökelen TiN filmlerindeki tercih edilen yönlendirmenin gelişimini açıklamak ve filmin iyon bombardımanı üzerinde araştırmayı amaçlamaktadır. Yüzey enerjisinin, gerinim enerjisinin ve belirli bir kristalin doğrultudaki iyonların birikmiş enerjisinin yoğunluğu olarak tanımlanan "durma enerjisi" nin toplamı olan toplam enerjinin en aza indirgenmesine dayanmaktadır. Küçük film kalınlığında yüzey enerjisi gerinim enerjisi üzerinde hakimdir ve tercih edilen TiN yönlendirme olmalıdır. Artan bir film kalınlığında veya artan bir önyargıda, gerinim enerjisi hakim hale gelir ve bu da TiN'nin tercih edilen bir yönlendirmesine yol açar. Çok yüksek bir önyargıda bir yeniden kaynak yapılır ve durdurma enerjisi hakim hale gelir ve TiN yönlendirmesi tercih edilen haline gelir. Diğer araştırmacılar orijinal olarak saf metal filmlerin püskürtülmesi için geliştirilmiş Thornton yapısal bölge modelini de TiN film biriktirme için kullandılar. Bütün bu bulgular ve yaklaşımlar, mevcut Doktora çalışmasında kullanılanlar gibi geleneksel olmayan sistemlerde biriken filmlerin özelliklerinin anlaşılmasında çok önemlidir.