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《河南大学》 2011年
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nc-TiN/a-Si_3N_4纳米复合薄膜的制备与性能研究

杨莹泽  
【摘要】:采用实验室自行设计的FDJ600型高真空多功能薄膜沉积设备,通过离子束溅射、磁过滤阴极弧等离子体沉积、射频耦合感应离子源相复合的方法在单晶硅表面沉积了nc-TiN/a-Si_3N_4单层、多层纳米复合薄膜;考察了不同沉积参数对薄膜的结构及机械性能的影响。主要研究内容和结果如下: 1.不同Si含量(at%)的nc-TiN/a-Si_3N_4纳米复合薄膜的制备与机械性能研究 采用离子束溅射与磁过滤阴极弧等离子体共沉积技术在单晶硅片(400)表面沉积了不同Si含量(at%)的TiN/Si_3N_4纳米复合薄膜;分析了复合薄膜的成分和结构,测定了其硬度、弹性模量、摩擦系数、磨损率及膜基结合强度,探讨了Si含量对薄膜结构和机械性能的影响。结果表明,Si含量对TiN/Si_3N_4纳米复合薄膜的表面形貌、结构及微观机械性能都有较大的影响。薄膜中Ti、Si分别以纳米氮化钛(nc-TiN)和非晶氮化硅(a-Si_3N_4)形式存在,其中TiN沿(200)面择优取向;纳米硬度测试表明,薄膜硬度处于22~26 GPa范围内,薄膜与氮化硅偶件对摩时的摩擦系数在0.13~0.17之间。当薄膜的Si含量为10.9%时,其硬度最大(25.6 GPa),摩擦系数、磨损率、膜基结合强度最低。随着Si含量的继续增加,薄膜的摩擦系数、磨损率和膜基结合强度又逐渐增加。由此可知薄膜的微观机械性能与Si含量密切相关。 2.偏压对nc-TiN/a-Si_3N_4纳米复合薄膜的结构与机械性能的影响 采用离子束溅射与磁过滤阴极弧等离子体共沉积技术在单晶硅片(400)表面沉积了nc-TiN/a-Si_3N_4纳米复合薄膜,测定了不同基底负偏压下制备的nc-TiN/a-Si_3N_4纳米复合薄膜的表面形貌、结构和机械性能,探讨了基底负偏压对其成分、结构和机械性能的影响。结果表明,基底负偏压对nc-TiN/a-Si_3N_4纳米复合薄膜的结构和机械性能有较大影响。随着基底负偏压的增加,薄膜的沉积速率大幅度降低。在-100 V基底负偏压下制备的薄膜的Si含量(at%)最高、Ti含量(at%)最低。在0 ~ -300 V范围内,随着负偏压的增加,薄膜中的TiN择优取向面由(200)转变为(111);当负偏压达到-300 V时,薄膜中的TiN转变为非晶形态。薄膜中的TiN以多晶形式存在,柱状晶在-100 V偏压下变得较为致密、均匀。非晶Si_3N_4包覆在TiN纳米晶粒周围,择优取向较为明显。当基底负偏压为-100 V时,薄膜的硬度达到46 GPa,出现超硬效应,此时薄膜的氧含量最低。与此同时,-100 V时薄膜的表面粗糙度降至最低,膜基结合强度最高;随着偏压的继续增加,薄膜的表面粗糙度逐渐增大、膜基结合强度逐渐降低。综合看来,偏压-100 V时制备的nc-TiN/a-Si_3N_4纳米复合薄膜的综合性能最佳。 3. nc-TiN/a-Si_3N_4纳米复合多层薄膜的制备与机械性能研究 采用离子束溅射与磁过滤阴极弧等离子体共沉积技术在单晶硅片(400)表面沉积了硬度由低到高的nc-TiN/a-Si_3N_4梯度多层纳米复合薄膜,研究了其表面形貌、内部结构及机械性能。结果表明,与纳米复合单层膜相比,纳米复合多层梯度膜均存在超硬现象。随着较高硬度单层厚度的增大(对应多层膜的层差由-15 nm增大至15 nm),薄膜的纳米硬度逐渐增加,且在层差为10 nm时薄膜的硬度最高。与此同时,层差对薄膜的微观机械性能和摩擦磨损性能也有较大的影响。随着层差的增加,薄膜的膜基结合强度逐渐增强、摩擦系数逐渐增大、磨损率逐渐增大。随着层差的继续增加,薄膜的膜基结合强度逐渐减弱,摩擦系数和磨损率逐渐减小。综合看来,层差为0 nm的纳米复合多层膜的综合性能最佳。
【学位授予单位】:河南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TB383

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【参考文献】
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