Películas de nitruro de titanio

- Jan 04, 2018-

Cuando se pulveriza o se evapora, el titanio es un metal muy reactivo que forma fácilmente nitruros, óxidos o carburos. El nitruro de titanio (TiN) tiene una estructura de NaCl que es estable en un amplio intervalo de composición que permite tanto las fases sub y estequiométricas. Con un bajo contenido de nitrógeno en un vehículo inerte (por ejemplo, argón) también es posible una fase de Ti 2 N.


El nitruro de titanio tiene una alta dureza y una alta resistencia a la corrosión y una baja resistividad eléctrica algo menor que Ti puro. Además, las películas delgadas de TiN pueden presentar una dureza mucho mayor que la resistividad y mucho más baja que los valores de equilibrio en masa. Una de las aplicaciones más extendidas de las películas de TiN es la protección contra el desgaste de herramientas de corte, como taladros y fresas, y de brocas para herramientas fabricadas con acero para herramientas o acero de alta velocidad. En los insertos de metal duro para torneado y fresado, las películas de TiN a menudo son la capa más externa en un recubrimiento de varias capas. Para esta aplicación, CVD es el método de deposición más utilizado debido a la posibilidad de recubrir lotes muy grandes al mismo tiempo.


En la microelectrónica, el TiN se usa como metal de compuerta en estructuras MOS debido a la baja resistividad, pero también como una barrera de difusión. El TiN estequiométrico (Ti / N = 1) se parece mucho al oro visualmente y esto lo hace popular para recubrimientos decorativos para relojes y otros objetos. El nitruro de titanio es un material biocompatible y esta propiedad ha dado lugar a un amplio campo de aplicaciones en medicina, por ejemplo, implantes quirúrgicos. Las propiedades típicas de un recubrimiento tribológico comercial de TiN (Balinit® A) son una dureza de 2300 HV y una estabilidad térmica de hasta 600 ° C. El gran interés industrial y la amplia variedad de aplicaciones para películas delgadas de TiN a menudo los han convertido en objetos de investigación populares donde se han probado muchos métodos de PVD diferentes y se han estudiado las propiedades de la película resultante.


Algunos ejemplos comunes de los métodos de PVD frecuentemente utilizados son la evaporación del haz de electrones, la pulverización de magnetrones y la deposición de arco catódico. Un grupo taiwanés ha estudiado la deposición de TiN mediante una técnica de recubrimiento iónico con descarga de cátodo hueco (HCD-IP). En este método, un cátodo hueco de RF se utiliza como un cañón de electrones de baja tensión y alta corriente para la evaporación del haz de electrones de un crisol de Ti y para la ionización simultánea de átomos de metal y moléculas de gas (Ar y N 2 ). Las condiciones de deposición típicas son una potencia de RF de 6 kW, una presión de trabajo de 0,29 Pa (2,2 mTorr) y una polarización de sustrato de CC aplicada de -40V.


La orientación preferida de las películas de TiN obtenidas fue para la mayoría de las condiciones de deposición, especialmente para películas de más de 1 μm. La dureza de las películas aumentó al aumentar el coeficiente de textura de TiN y se saturó a 28 GPa a medida que el coeficiente se acercaba a la unidad. El grupo también ha estudiado la influencia del bombardeo iónico en la orientación preferida en películas cristalinas de TiN variando el voltaje de polarización, la potencia de deposición y la presión parcial de nitrógeno. Se descubrió que el bombardeo iónico causaba acumulación de tensión o daño a la red y la orientación preferida a bajas temperaturas de deposición está determinada por cuál de estos fenómenos domina. La orientación preferida se desarrolla en la acumulación de tensión y la orientación en el daño de la red. La orientación termodinámicamente favorable ocurre cuando no hay un bombardeo iónico presente. Además, el grupo investigó cómo la porosidad de las películas de TiN estaba influenciada por la temperatura de deposición, el tiempo de deposición y el bombardeo iónico. Llegan a la conclusión de que los largos tiempos de deposición o las altas temperaturas y un alto grado de bombardeo iónico reducen la porosidad y que el bombardeo de iones también afecta el tamaño del grano y la orientación preferida. Las películas densas tienen grandes granos o pequeños granos con altos coeficientes de textura.


Las técnicas comerciales para la pulverización catódica con magnetrón reactivo se han aplicado con frecuencia para la deposición de películas de TiN. Guruvenket et al. han estudiado la influencia del bombardeo iónico y la orientación del sustrato sobre las propiedades de las películas de TiN depositadas sobre sustratos de Si en un sistema DC magnetrón plano. Las películas depositadas a una presión total de 0,1 Pa con polarización negativa sobre sustratos de Si tenían una orientación preferida de TiN mientras que era TiN para películas depositadas sobre sustratos de Si. El tamaño del grano disminuye cuando el sesgo se reduce de +20 V a valores negativos, pero luego permanece casi constante para un sesgo de hasta -60 V. Con un sesgo negativo, los granos fueron más pequeños en Si que en Si. La influencia de la presión parcial de nitrógeno sobre las propiedades de películas de TiN reactivas con magnetrón DC pulverizado ha sido estudiada por Meng et al. Las películas con orientación preferida se depositaron sobre sustratos de vidrio no calentados a una presión total de 0,8 Pa mientras la presión parcial de nitrógeno se varió de 0,08 a 0,3 Pa. Los resultados fueron que el coeficiente de textura de TiN disminuyó al aumentar la presión parcial de nitrógeno mientras aumentaba el tamaño de grano. Otros métodos comunes para la deposición de películas delgadas de nitruro de titanio se basan en la deposición de arco catódico. Dos de estos métodos fueron presentados por Martin et al. : deposición de arco filtrado (FAD) y deposición de arco asistido por iones (IAAD). El FAD se ha usado para la deposición de TiN sobre sustratos calentado y polarizado de Si y acero (350 ° C) en una atmósfera de nitrógeno. En esta configuración, el estrés y la dureza podrían controlarse variando el sesgo.


En el IAAD , se agrega al sistema FAD una fuente de nitrógeno que suministra iones N2 + con una energía fija de 500 eV. Esta configuración permite la deposición sobre sustratos de Si y carbono no calentados con control sobre la estequiometría mediante la corriente del haz de iones. Las tasas de deposición fueron de 100 nm / min (6 μm / h) para ambas configuraciones. La influencia de las condiciones de deposición sobre el cristal y la microestructura se ha estudiado ampliamente y se han presentado varios modelos. Uno de estos modelos fue presentado por Zhao et al. y llamado "modelo de energía global". El modelo tiene como objetivo explicar la evolución de la orientación preferida en películas de TiN depositadas por un método de deposición de arco filtrado sesgado y se centra en el bombardeo iónico de la película. Se basa en la minimización de una energía total que es la suma de la energía de superficie, la energía de deformación y una "energía de detención" que se define como la densidad de la energía depositada de iones a lo largo de una cierta dirección cristalina. Con un espesor de película pequeño, la energía superficial domina sobre la energía de tensión y la orientación de TiN preferida debería ser. Con un grosor de película creciente o un sesgo creciente, la energía de tensión se vuelve dominante, lo que conduce a una orientación preferida de TiN. A un sesgo muy alto, se produce una aberración y la energía de parada se vuelve dominante y la orientación de TiN se convierte en la preferida. Otros investigadores han aplicado el modelo de la zona estructural de Thornton desarrollado originalmente para el sputtering de películas de metal puro, también para la deposición de película de TiN. Todos estos hallazgos y enfoques son muy importantes en la comprensión de las propiedades de las películas depositadas en sistemas no convencionales como los utilizados en el presente trabajo de doctorado.


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