直流反应磁控溅射TiN薄膜表面形貌研究

直流反应磁控溅射TiN薄膜表面形貌研究

李丽1吴卫2杨翠丽1

李丽1吴卫2杨翠丽1

（1、齐齐哈尔工程学院机电系，黑龙江齐齐哈尔1510062、西华大学材料科学与工程学院，四川成都610039）

摘要：研究溅射电流对TiN薄膜表面形貌的影响。结果表明：当其他参数不变的情况下，薄膜表面粗糙度（RMS）随电流的增大先变大后变小。在电流达到3A时，粗糙度达到最小值。

关键词：TiN薄膜；反应磁控溅射；AFM；RMS

Abstract:ReserchtheeffectionofsputteringcurrentonTiNfilmsputteredbyDCreactionmagnetronsputtering.TheresultshowsthatRMSoffilmsurfaceturnsupthendownwiththecurrent.ThevalueofRMSgetsminimumwhenthecurrentis3A.

Keywords:TiNfilm；reactionmagnetronsputtering；AFM；RMS

引言

TiN是低速切削工具理想的涂层材料，可以减轻切削刃边材料的附着，降低切削力，增大进刀量，提高加工精度，维持切削几何的稳定，改善工件的表面质量。此外，TiN也是磨损部件的理想涂层，特别是由于其低的粘着倾向拓宽了在许多磨损系统中的应用。因此TiN广泛应用于成形技术工具涂层，由于TiN涂层具有硬度高、耐腐蚀、不粘性好、化学稳定性好和摩擦系数低等优良性能，大大改善了工模具的工艺性能和使用性能[1]。

1实验

1.1基体的镀前处理。基体为试验玻璃片，其尺寸为22mm×22mm×0.15mm，用乙醇、丙酮经超声波反复清洗，吹干后用签字笔在表面划一直线后立即放入真空室待溅。签字笔痕迹作为掩膜可将在溅射时形成的膜洗掉，以便观察膜的界面形貌及厚度。

1.2薄膜的沉积。采用自制的等离子体表面处理机，利用直流磁控溅射方法，背底真空5.5×10-3Pa，靶基距110mm，工作压强12.3Pa，溅射电流1.5~3A，沉积时间4min，基底不加热。工作气体为高纯N气和Ar气，纯度为99.999%，并保持氩气和氮气之比为3：1，靶材尺寸为Φ100mm×5mm，靶材为高纯Ti。其溅射原理:溅射前真空室充入高纯氩气，随后启动直流电压，氩气在高压下离解为带电的离子，在电场和磁场作用下，带电离子高速冲击靶，将靶表面原子击出，在电场和环形磁场的作用下，形成柱状等离子束，最后击出的靶原子沉积在基体上，形成薄膜[2]。

1.3薄膜的检测。金属TiN薄膜的厚度测量及表面形貌观察是在日本精工SPA4002SPI3800N型电子探针显微镜上进行。测量原理是记录DFM测量中的Cantilever振动的相位变化。扫描探针模式为DFM20。

2实验结果与讨论

图1-图4分别是溅射电流为1.5A、2A、2.5A、3A时，TiN薄膜表面AFM扫描图。

利用AFM离线软件可以得到所对应样品的表面均方粗糙度（Rms）分别为3.24、4.37、5.68、3.03。

观察薄膜的AFM图可以发现TiN薄膜的表面形貌随溅射电流的变化有着显著的变化。当溅射电流较低时，薄膜表面的沟壑较浅，使薄膜粗糙度较小。随着电流增大，表面粗糙度增高。但当电流增大到3A时，表面粗糙度达到最小。溅射电流低时，沉积到基体表面的粒子扩散受到抑制，薄膜晶体中存在较多缺陷，TiN薄膜表面出现了因扩散限制导致的粗化[3]。当电流达到3A时，，薄膜的迁移率随之升高，TiN薄膜中的颗粒得到良好的生长，与基底附着力较弱的原子将由于再蒸发过程而逸出表面，有利于生成均匀薄膜，从图上看薄膜表面粗糙度开始变小。

3结论

利用直流反应磁控溅射制备的TiN薄膜表面粗糙度受溅射电流影响很大。随着溅射电流的增大，薄膜表面粗糙度增大，但当电流达到3A时，薄膜表面粗糙度发生逆转，达到最小值。

参考文献

[1]何玉定.TiN涂层应用及研究进展[J].广东工业大学学报，2005.

[2]郑伟涛，等.薄膜材料与薄膜技术[M].北京：化学工业出版社，2004.

[3]TanakaY，GurTM，KellyM，etal.BarrierbehaviorofTiAlNfilm[J].ThinSolidFilms，1993.