论文部分内容阅读
氮化钛(TiN)薄膜由于其优良的特性、广泛的应用,深受科研工作者的关注。近些年来,科研工作者对TiN材料的织构变化、形貌特征、宏观性能等开展了广泛研究,但是对其微观结构的深入研究却鲜见报道。本论文采用磁控溅射沉积方法,在Si衬底施加不同偏压,制备了一系列TiN薄膜,不仅系统研究了衬底偏压对TiN薄膜样品的结构、成分、择优取向、表面形貌、电学和力学性能的影响,还利用球差矫正高分辨透射电镜对薄膜的微观结构进行了深入研究,在原子尺度上探究了衬底偏压对薄膜生长的影响,主要研究内容及结果如下:首先,利用XRD、XPS、AFM等一系列测试手段对TiN薄膜的结构、化学成分、性能等进行了表征。结果表明,所制备薄膜均为面心立方TiN薄膜。无衬底偏压下制备的薄膜样品中出现显著的(111)择优取向,随着偏压的增加,薄膜择优取向从(111)向(220)转变。薄膜表面粗糙度随衬底偏压的增加呈减小趋势,即薄膜表面越来越平整。薄膜的电阻率随着衬底偏压的增加而降低,-80 V偏压下生长的薄膜显示出良好的导电性。在力学性能方面,薄膜的硬度和弹性模量随偏压增加先显著增强,在-60 V时达到峰值,然后稍稍下降。其次,我们对TiN薄膜柱状晶的生长进行了细致研究。结果表明:低偏压时,薄膜结构不致密,柱状晶之间存在空隙;随着衬底偏压的增加,薄膜越来越致密,且TiN晶粒由柱状晶向等轴晶发展的趋势。根据区域结构模型,无偏压下生长的薄膜样品为典型的Zone I型结构,然而-80 V偏压下生长的薄膜样品却表现出Zone T型结构。最后,利用高分辨透射电镜,我们对TiN薄膜的缺陷进行了深入研究。分析表明,薄膜中位错密度随着衬底负偏压的增加而增加。特别值得注意的是,我们在-40V和-80 V样品中发现了孪晶的存在,然而,-60 V样品中却没有发现孪晶。利用理论计算证实了孪晶的存在几率与薄膜的N/Ti值密切相关。本论文探索了衬底偏压对TiN薄膜微观结构和性能的影响,通过高分辨透射电镜和各种表征手段,建立起了薄膜微观结构和宏观性能两者之间的联系,并且深入探究了薄膜生长的过程,对TiN材料的进一步发展有着重要的借鉴意义。