Titanium Nitride Films

Când este pulverizat sau evaporat, titanul este un metal foarte reactiv care formează ușor nitruri, oxizi sau carburi. Nitrida de titan (TiN) are o structură de NaCI care este stabilă pe un interval larg de compoziție, permițând atât fazele sub-, cât și cele ex-stoichiometrice. La un conținut scăzut de azot într-un purtător inert (de exemplu, argon) este posibilă și o fază Ti2N.

Nitrida de titan are o duritate ridicată și o rezistență ridicată la coroziune și o rezistivitate electrică scăzută ceva mai mică decât Ti pură. Mai mult, filmele subțiri TiN pot avea o duritate mult mai mare decât rezistența și mult mai mică decât valorile vrac echilibrate. Una dintre cele mai răspândite aplicații ale filmelor TiN este protecția împotriva uzurii a uneltelor de tăiere cum ar fi burghie și freze și a biților de scule fabricate din oțel de scule sau oțel de mare viteză. Pe inserțiile metalice dure pentru strunjire și măcinare, filmele TiN sunt deseori stratul exterior într-un strat de acoperire multistrat. Pentru această aplicație CVD este cea mai utilizată metodă de depunere datorită posibilității de a acoperi loturi foarte mari în același timp.

În microelectronică TiN este utilizat ca un metal de tip gate în structurile MOS din cauza rezistivității scăzute, dar și ca o barieră de difuzie. Stoichiometricul (Ti / N = 1) TiN seamănă foarte mult cu aurul vizual și acest lucru îl face popular pentru acoperirile decorative pentru ceasuri și alte obiecte. Nitrida de titan este un material biocompatibil și această proprietate a dat naștere unui domeniu larg de aplicații în medicină, de exemplu implanturi chirurgicale. Proprietățile tipice ale unei acoperiri TiN comerciale tribologice (Balinit® A) sunt o duritate de 2300 HV și o stabilitate termică până la 600 ° C. Marele interes industrial și o mare varietate de aplicații pentru filmele subțiri TiN le-au făcut deseori obiecte de cercetare populare în care au fost testate mai multe metode PVD diferite și au fost studiate proprietățile de film rezultate.

Unele exemple comune ale metodelor PVD utilizate frecvent sunt evaporarea fasciculului de electroni, pulverizarea magnetronică și depunerea catodică a arcului. Un grup taiwanez a studiat depunerea TiN printr-o tehnica de placare prin catod de golire prin reactie (HCD-IP). În această metodă, un catod vid gol este folosit ca un pistol de electroni de joasă tensiune cu curent de înaltă tensiune pentru evaporarea cu fascicul de electroni a unui creuzet de Ti și pentru ionizarea simultană a atomilor de metal și a gazelor (Ar și N2 ). Condițiile tipice de depunere sunt o putere RF de 6 kW, o presiune de lucru de 0,29 Pa (2,2 mTorr) și o substrat aplicat substrat DC de -40V.

Orientarea preferată a peliculelor de TiN obținute a fost pentru cele mai multe condiții de depunere, în special pentru pelicule mai mici de 1 μm. Duritatea filmelor a crescut cu creșterea coeficientului de textură TiN și a fost saturată la 28 GPa, deoarece coeficientul sa apropiat de unitate. Grupul a studiat, de asemenea, influența bombardamentului ionic asupra orientării preferate în peliculele TiN cristaline prin variația tensiunii de polarizare, a puterii de depunere și a presiunii parțiale a azotului. Sa constatat că bombardamentul ionic provoacă acumularea de tulpini sau deteriorarea zăbrelelor, iar orientarea preferată la temperaturi scăzute de depunere este determinată de care dintre aceste fenomene este dominantă. Orientarea preferată apare la acumularea de tulpini și la orientarea la deteriorarea zăbrelelor. Orientarea favorabilă din punct de vedere termodinamic apare atunci când nu există bombardament ionic. Mai mult, grupul a investigat modul în care porozitatea filmelor TiN a fost influențată de temperatura de depunere, timpul de depunere și bombardarea ionică. Ei concluzionează că perioadele lungi de depunere sau temperaturile ridicate și un grad ridicat de bombardament ionic reduc porozitatea și că bombardamentul ionic afectează de asemenea dimensiunea granulelor și orientarea preferată. Filmele dense au granule mari sau boabe mici cu coeficienți de textură înalți.

Tehnicile comerciale pentru pulverizarea cu magnetron reactiv au fost frecvent aplicate pentru depunerea filmelor TiN. Guruvenket și colab. au studiat influența bombardamentului ionic și a orientării substratului asupra proprietăților filmelor TiN depuse pe substraturile Si într-un sistem de plante magnetron plan. Filmele depuse la o presiune totală de 0,1 Pa cu părtinire negativă pe substraturile Si au avut o orientare preferată a TiN în timp ce era TiN pentru filmele depuse pe substraturi de Si. Dimensiunea granulelor scade atunci când părtinirea este scăzută de la +20 V la valori negative, dar apoi rămâne aproape constantă pentru părtinire până la -60 V. La negativ negativ, boabele au fost mai mici pe Si decât pe Si. Influența presiunii parțiale a azotului asupra proprietăților filmelor reactive de magnetron DC sputtered TiN a fost studiată de Meng și colab. Filmele cu orientare preferată s-au depus pe substraturi de sticlă neîncălzite la o presiune totală de 0,8 Pa, în timp ce presiunea parțială a azotului a variat de la 0,08 la 0,3 Pa. Rezultatele au fost că coeficientul de textura TiN a scăzut cu creșterea presiunii parțiale a azotului în timp ce mărimea granulei a crescut. Alte metode comune de depunere a filmelor subțiri de nitruri de titan se bazează pe depunerea arcului catodic. Două astfel de metode au fost prezentate de Martin et al. : depunerea cu arc filtrat (FAD) și depunerea cu arc asistată de ioni (IAAD). FAD a fost utilizat pentru depunerea TiN pe substraturi încălzite și predispuse la Si și oțel (350 ° C) într-o atmosferă de azot. În această configurație stresul și duritatea ar putea fi controlate prin variația părtinitoare.

În IAAD, o sursă de ioni de azot, care furnizează ioni de N2 + cu o energie fixă ​​de 500 eV, este adăugată sistemului FAD. Această configurație permite depunerea pe substraturi neîncălzite de Si și carbon cu control asupra stoechiometriei de către curentul de fascicul de ioni. Ratele de depunere au fost de 100 nm / min (6 pm / h) pentru ambele setări. Influența condițiilor de depunere asupra cristalului și microstructurii a fost studiată destul de extensiv și au fost prezentate mai multe modele. Unul dintre aceste modele a fost prezentat de Zhao și colab. și numit "Modelul global de energie". Modelul își propune să explice evoluția orientării preferate în peliculele TiN depuse printr-o metodă depusă prin arc filtrat părtinitor și se axează pe bombardarea ionică a peliculei. Se bazează pe minimizarea unei energii totale care este suma energiei de suprafață, a energiei tensiunii și a unei "energii de oprire" care este definită ca densitatea energiei depuse a ionilor de-a lungul unei anumite direcții cristaline. La grosimea filmului mic, energia suprafeței domină peste energia de întindere, iar orientarea preferată a TiN ar trebui să fie. La o grosime a filmului în creștere sau la o tendință crescătoare, energia tulpini devine dominantă ceea ce duce la o orientare preferată a TiN. La o prejudecată foarte mare apare un resputtering și energia de oprire devine dominantă, iar orientarea TiN devine cea preferată. Alți cercetători au aplicat modelul zonei structurale Thornton dezvoltat inițial pentru pulverizarea filmelor metalice pure și pentru depunerea de TiN. Toate aceste descoperiri și abordări sunt foarte importante în înțelegerea proprietăților filmelor depuse în sistemele neconvenționale precum cea utilizată în lucrarea de doctorat prezentă.