窒化チタン膜

- Jan 04, 2018-

スパッタリングまたは蒸着されると、チタンは窒化物、酸化物または炭化物を容易に形成する非常に反応性の金属である。 窒化チタン(TiN)は、広い組成間隔にわたって安定なNaCl構造を有し、不足相および過化学量論相の両方を可能にする。 不活性担体(例えば、アルゴン)中の低窒素含量では、Ti 2 N相も可能である。


窒化チタンは、硬度が高く、腐食に対する耐性が高く、純粋なTiよりも低い電気抵抗率を有する。 さらに、薄いTiN膜は、平衡バルク値よりはるかに高い硬度および抵抗率よりはるかに低い硬度を示すことができる。 TiNフィルムの最も普及した用途の1つは、ドリルやミルのような切削工具、工具鋼や高速度鋼から作られた工具ビットの摩耗保護です。 旋削加工およびミリング加工用の硬質金属インサートには、多層コーティングの最も外側の層がTiN膜です。 この用途では、CVDは、非常に大きなバッチを同時に被覆する可能性があるため、最も利用される堆積方法である。


マイクロエレクトロニクスでは、TiNは抵抗率が低いためにMOS構造のゲート金属として使用されるが、拡散障壁としても使用される。 化学量論的(Ti / N = 1)のTiNは、金に視覚的に非常に似ており、時計やその他の物体の装飾用コーティングとして広く使用されています。 窒化チタンは生体適合性の材料であり、この性質は医学分野、例えば外科用インプラントに大きな応用分野をもたらしている。 市販のトライボロピックTiNコーティング(Balinit(登録商標)A)の典型的な特性は、2300HVの硬度および600℃までの熱安定性である。 大きな産業的関心とTiN薄膜の幅広い用途は、多くの異なるPVD法が試験され、結果として得られる膜特性が研究されている一般的な研究対象となっていることが多い。


頻繁に使用されるPVD法のいくつかの一般的な例は、電子ビーム蒸着、マグネトロンスパッタリング、および陰極アーク蒸着である。 台湾のグループは、反応性ホローカソード放電イオンプレーティング(HCD-IP)技術によってTiN堆積を研究した。 この方法では、RF中空陰極は、Ti坩堝の電子ビーム蒸着用および金属原子とガス(ArおよびN 2 )分子の 同時イオン化用の高電流低電圧電子銃として使用される 典型的な堆積条件は、6kWのRF電力、0.29Pa(2.2mTorr)の作動圧力、および-40Vの印加DC基板バイアスである。


得られたTiN膜の好ましい配向は、特に1μmよりも厚い膜の場合のほとんどの堆積条件であった。 膜の硬度は、TiNテクスチャ係数の増加と共に増加し、係数が1に近づくにつれて28GPaで飽和した。 このグループはまた、バイアス電圧、堆積パワー、および窒素分圧を変化させることによって、結晶TiN膜における優先配向に対するイオンボンバードメントの影響を研究した。 イオンボンバードメントは、歪蓄積または格子損傷を引き起こし、低堆積温度での好ましい配向は、これらの現象のうちのどれが支配するかによって決定される。 好ましい配向は、歪み蓄積および格子損傷時の配向で生じる。 熱力学的に好ましい配向は、イオン衝撃がない場合に生じる。 さらに、このグループは、TiN膜の多孔度が、堆積温度、堆積時間、およびイオン衝撃によってどのように影響を受けるかを調べた。 彼らは、長い堆積時間または高温および高度のイオン衝撃が多孔性を減少させ、イオン衝撃が結晶粒の大きさおよび優先配向に影響を及ぼすと結論づけている。 高密度フィルムは、大きな粒子または高いテクスチャー係数を有する小さな粒子のいずれかを有する。


反応性マグネトロンスパッタリングの商業的技術は、TiN膜の堆積に頻繁に適用されている。 Guruvenketら DCプレーナマグネトロンシステムにおけるSi基板上に堆積されたTiN膜の特性に対するイオンボンバードメントおよび基板配向の影響を研究した。 Si基板上に負のバイアスをかけて0.1Paの全圧で堆積された膜は、TiNの好ましい配向を有していたが、Si基板上に堆積された膜はTiNであった。 粒度は、バイアスが+ 20Vから負の値に減少すると減少するが、-60Vまでのバイアスに対してはほぼ一定のままである。負のバイアスでは、粒子はSiよりもSiで小さい。 反応性DCマグネトロンスパッタリングTiN膜の特性に及ぼす窒素分圧の影響は、Meng et al。 窒素分圧を0.08~0.3Paまで変化させながら、非配向ガラス基板上に全圧0.8Paで堆積させた。その結果、窒素分圧の増加とともにTiN組織係数は減少し、粒径は増加した。 窒化チタン薄膜の堆積のための他の一般的な方法は、陰極アーク堆積に基づく。 2つのそのような方法がMartinらによって提示された。 :ろ過アーク堆積(FAD)およびイオンアシストアーク堆積(IAAD)。 FADは、窒素雰囲気中で加熱されバイアスされたSiおよび鋼の基材(350℃)上のTiNの堆積に使用されている。 この設定では、バイアスを変えることによって応力と硬度を制御できます。


IAADでは、500eVの 固定エネルギーを有する N 2 +イオンを 供給する窒素イオン源 がFADシステムに加えられる。 この設定は、イオンビーム電流による化学量論量を制御しながら、加熱されていないSi基板および炭素基板上に堆積させることを可能にする。 両方の設定について、堆積速度は100nm /分(6μm/ h)であった。 結晶および微細構造に対する析出条件の影響は非常に広く研究されており、いくつかのモデルが提示されている。 これらのモデルの1つは、Zhao et al。 「総合エネルギーモデル」と呼ばれています。 このモデルは、バイアスされたフィルタアーク堆積法によって堆積されたTiN膜における好ましい配向の進展を説明することを目的とし、膜のイオン衝撃に焦点を当てている。 これは、表面エネルギー、歪みエネルギー、および特定の結晶方向に沿ったイオンの堆積エネルギーの密度として定義される「停止エネルギー」の合計である総エネルギーの最小化に基づく。 膜厚が薄い場合、表面エネルギーは歪みエネルギーを支配し、好ましいTiN配向は、 フィルムの厚さが増加するかまたはバイアスが増加すると、歪みエネルギーが支配的になり、TiNの好ましい配向が得られる。 非常に高いバイアスでは、リスパッタリングが起こり、停止エネルギーが支配的になり、TiN配向が好ましい配向となる。 他の研究者は、TiN膜堆積のために純粋な金属膜のスパッタリングのためにもともと開発されたソーントン構造ゾーンモデルを適用した。 これらの発見およびアプローチはすべて、現在のPhD研究で使用されているような非従来のシステムで堆積された膜の特性の理解において非常に重要である。


blob.pngblob.pngblob.png