磁控濺射技術(shù)設(shè)計合成TaN-NbN和TaN-VN納米多層膜的研究.pdf

1、本文利用超高真空射頻磁控濺射技術(shù)設(shè)計合成TaN/NbN納米多層膜、TaN/VN納米多層膜以及TaN單層膜。利用納米力學(xué)測試系統(tǒng)研究薄膜的機械性能，包括表面硬度、彈性模量以及薄膜與基底的附著力；還通過X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)等分析手段研究了薄膜的結(jié)構(gòu)特征。揭示多層膜體系的結(jié)構(gòu)和性能以及工藝參數(shù)之間的相互關(guān)系，找出合成最佳多層膜的工藝，使多層膜體系的硬度和附著力優(yōu)于單質(zhì)薄膜材料。 1.在設(shè)計合成TaN/NbN納

2、米多層膜的工藝參數(shù)中，氮氣氬氣比例、調(diào)制周期都對薄膜的晶體結(jié)構(gòu)有較大影響，所有的多層膜都表現(xiàn)出了明銳的TAN(111)與NbN(111)結(jié)晶取向?？偟墓ぷ鳉鈮簽?.6 Pa，Ar與N<,2>氣體流量的比例保持在9：1，調(diào)制周期為10 am，TaN層與NbN層調(diào)制比例t<,TaN>：t<,NbN>=1：1時制備的TaN/NbN納米多層薄膜，TAN(110)峰加強，結(jié)晶開始出現(xiàn)多元化。說明適當調(diào)節(jié)工藝參數(shù)有利于混合晶相的氮化物生成，這可能會

3、影響多層膜的機械性能。 TaN/NbN多層膜有很好的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)，界面清晰。從小角度XRD圖譜計算出制備不同調(diào)制周期的TaN/NbN多層膜人分別為5.1 nm、9.8 nm。納米多層膜的硬度、模量和臨界載荷都較TaN和NbN單質(zhì)薄膜有所提高。其中總工作氣壓為0.6 Pa，Ar與N2氣體流量的比例保持在9：1，調(diào)制周期為10nm時制備的TaN~bN納米多層膜硬度和模量值分別達到了最高值30 GPa和326 GPa。表明薄膜的硬度

4、、彈性模量與工藝參數(shù)有著直接的關(guān)系。在最大載荷60 mN條件下，所有納米多層膜的臨界載荷都明顯高于單層膜TaN和NbN。 2.在設(shè)計合成TaNNN納米多層膜工藝參數(shù)中，工作氣壓、調(diào)制周期對薄膜的晶體結(jié)構(gòu)有較大影響，在總的工作氣壓為0.2 Pa，Ar與N<,2>氣體流量的比例保持在8：1，調(diào)制周期為25nm，TaN層與VN層調(diào)制比例t<,TaN>：t<,VN>=1：1時制備的TaN/VN納米多層薄膜，其結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了TAN(110)

5、、VN(200)混合晶相，這可能會影響多層膜的機械性能。 小角度XRD衍射圖譜和SEM測試均表明多層膜的界面清晰，調(diào)制周期性好。計算出制備不同調(diào)制周期的TaN/VN多層膜人分別為10 nm、19 nm、25nm和30 nm。納米多層膜的硬度和彈性模量都較TaN和VN單質(zhì)薄膜有所提高。其中總工作氣壓為0.2 Pa，Ar與N<,2>氣體流量的比例保持在8：1，調(diào)制周期為25 nm時制備的TaN/VN納米多層膜硬度和模量值分別達到了最

6、高值31 GPa和326GPa。表明薄膜的硬度、彈性模量與工藝參數(shù)有著直接的關(guān)系。在最大載荷60 mN條件下，所有納米多層膜的臨界載荷都明顯高于單層膜TaN和VN。 3.利用超高真空射頻磁控濺射技術(shù)設(shè)計合成TaN單層薄膜。化合物靶材相對于純金屬靶材對單層薄膜的晶體結(jié)構(gòu)有較大影響。化合物靶制備的薄膜的硬度和彈性模量都較金屬靶制備的薄膜有所提高。其中總工作氣壓為0.4 Pa采用化合物靶制備的TaN薄膜硬度達到了最高值35 Gpa。