氮化钛薄膜的制备及应用

氮化钛薄膜的制备及应用

1.TiN 薄膜的制备方法

TiN 薄膜的研究工作早在20世纪60年代已开始进行，但因材料和器件制备上的困难，使研究工作一度转入低潮。后来随着薄膜制备技术的提高，国内外对TiN 薄膜的研究工作又开始活跃起来，制备方法也多样化了，目前已取得很大进展。TiN 薄膜的制备方法主要可分为物理气相沉积、化学气相沉积两大类。

1．1 物理气相沉积(PVD)

1．1．1 电子束蒸镀法

单纯采用真空镀膜法制备TiN 薄膜在国内外很少，这主要因为它有与基片结合较差、工艺重复性不好的缺点。目前国内外用得最多的真空镀膜法是电子束蒸镀方法。它是一种利用电子束打到待蒸发材料表面将能量传递给待蒸发材料使其熔化并蒸发的方法。它具有能量密度大，热效率高，热传导和热辐射的损失少等特点，可减少容器材料与镀料之间的反应。可以很大程度地提高TiN 类镀膜的纯度。

1．1．2 溅射镀膜法

磁控溅射制备TiN 薄膜技术主要有直流磁控溅射和射频磁控溅射(使用陶瓷TiN 靶材) 两种，最近又出现了非平衡磁控溅射和反应溅射。其中反应溅射方法因其独特的优点最早和最多地使用在TiN 薄膜制备上。另外非平衡磁控溅射方法也是一种国内外常用的溅射方法，磁控溅射制备TiN 薄膜具有溅射率高、基片温升低、膜基结合力好、装置性能稳定、操作控制方便等优点。同时它也有一些缺点，例如它的沉积速率较底，效率较差，对降低沉积成本不利，因此磁控溅射方法仅应用于光学、微电子学等对TiN 涂层要求较高的领域。

1．1．3 电弧离子镀

20世纪80年代以来，离子镀制备TiN 镀层已发展成为世界范同的一项高新技术，主要应用在制备高速钢和硬质合金工具上的或相关体系的耐磨镀层和不锈钢制品上的仿金装饰镀层上。进入20世纪90年代，离子镀技术有了长足的进步，在离子镀技术中目前应用最多的是电弧离子镀(也称多弧离子镀) ，它已取代了其他各种类型的离子镀，成为当前氮化钛镀层工业唯一的生产工艺。在电弧离子镀沉积TiN 涂层的过程中，影响涂层结构和性能的因素有弧电流、衬底负偏压、衬底温度、氮气的分压、腔体压强等。

1．1．4 等离子体浸没式离子注入技术

等离子体浸没式离子注入技术(PIII)制备TiN 薄膜方法最早由Conrad 教授发明，他发现PIII 技术能同时对一批工件进行注入处理。因此这种方法的工艺和设备非常简单，能较大幅度地降低生产成本，在制备TiN 薄膜方面有很好的应用价值。等离子体浸没式离子注/k是在PIII 过程中，等离子体中的被注元素在强电场力作用下，全方位地垂直注入到所有表面内的一种沉积方法。

1．2 化学气相沉积法CVD

1．2．1 普通化学气相沉积法CVD

CVD 法是20世纪60年代发展起来的制备无机材料的新技术，国外在CVD 法制备TiN 薄膜方面技术非常成熟。早在20世纪60年代末，瑞典Sandwick 公司用CVD 技术在硬质合金刀具上沉积了TiN 涂层，由于CVD 技术成本较低，且TiN 涂层显著地延长了刀具寿命，因而迅速实现了商业化。N 涂层化学气相沉积相对于PVD 方法具有成膜速度快、镀膜绕射性好、镀层纯度高、结晶完全、沉积表面光滑、辐射损伤低等特点。但是由于装置需要高温度、高真空等环境条件的要求，因而其推广应用受到了很大的限制。

1．2．2 等离子体增强化学气相沉积

20世纪90年代以来应用发展的脉冲直流PCVD 镀层技术，在制备Ti 上取得很大进展，它可以显著改善镀层的微观结构和性能，并已在各种工业用刀具、模具上初步使用，取得了定效果，目前国内外PCVD 镀膜法发展得非常快。等离子体化学气相沉积方法，不仅具有CVD 的良好绕镀性。而且它还比CVD 法得到的膜层针孔少、组织致密、内应力小、不易产生微裂纹。目前国内外采用的PCVD 电源主要有直流、射频和微波三种。

1．2．3 激光化学气相沉积

激光化学气相沉积(LCVD)制备TiN 薄膜是种非常吸引人的制备方法。最关键之处是通过它可以获得高质量、无损伤的TiN 薄膜。这一技术制备的TiN 薄膜从目前看来具有非常广阔的应用前景，近阶段LCVD 法合成TiN 陶瓷薄膜技术发展得非常迅速。激光化学气相沉积(LCVD)是利用激光束实现薄膜的一种化学气相沉积方法，它充分利用了激光的能量密度高，加热速度快等特点，沉积速度大大加快。它较普通CVD 主要有低温化、低损伤、加工精细化以及选择生长等方面的优点口。目前国内在激光化学气相沉积方面的技术已经达到国际先进水平。

2．TiN 薄膜的应用研究

2．1 机械加工工业

TiN 薄膜可以减轻切削刃边材料的附着，提高切削力，改善工件的表面质量，成倍增加切削工具的使用寿命和耐用度。因此，TiN 薄膜被广泛用于低速切削工具、高速钢切削、木板切削刀具和钻头的涂覆上。另外，TiN 也是磨损部件的理想耐磨涂层，特别是由于其低的黏着倾向拓宽了在许多磨损系统中的应用，如汽车发动机的活塞密封环、各种轴承和齿轮等：此外，TiN 还广泛应用于成型技术工具涂层，如汽车工业中薄板成型工具的涂层等。

2．2 医学工业

TiN 薄膜无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，因此它是非常理想的医用金属材料，可用作植入人体的植入物和手术器械等阎。此外，氮化钛薄膜还能作为其他优良生物相溶性薄膜的增强薄膜。国外的Nelea 等人通过镀制TiN 薄膜中间层大幅度提高了医用常用材料羟磷灰石薄膜(HA)的机械性能和附着力。

2．3 航空航天

用TiN 薄膜涂覆在IF —MS2上。可以提高二钼化硫润滑剂的耐磨性。用TIN 薄膜涂覆在IF —MS2上，因为它具有的高硬度、高熔点、高磨损抵抗力，优良的化学稳定性等特点，因此可以在提高飞机和航天器的发动机等零件的润滑性能的同时，又可以保证航天零件的耐高温和耐摩擦性能。

2．4 太阳能应用领域

TiN 薄膜用于高温大气稳定太阳能吸收层的研究开始于1984年，最近(Ti，A1)N 涂层也被建议应用于太阳能选择吸收层和太阳能控制窗口，这主要是因为(Ti，AI)N 涂层耐高温的特点。关于TiN 和TiA1N 涂层在太阳能领域的应用。目前仍处在尝试和探索之中。