一种高温稳定TiN薄膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及薄膜制备技术领域，具体涉及一种高温稳定TiN薄膜及其制备方法。

背景技术

作为第一个产业化并广泛应用的硬质薄膜，TiN薄膜具有奇特的光学特性，同时由于TiN的电阻率介于金属和绝缘体之间，导带和价带之间的禁带很窄，价电子与原子核结合得不是太紧，在中远红外区，其自由载流子与红外光的相互作用类似于金属，导带电子在红外光的激励下会发生带内跃迁，具有较低的红外发射率，因此TiN薄膜具有作为红外隐身薄膜的潜质。

TiN薄膜不可避免的需用在一些高温或氧化环境下，然而在此环境下，其微观结构会发生较大的改变，继而很大程度上影响了TiN薄膜的红外隐身性能。主要由两方面的原因导致，一是单层结构的TiN薄膜经过500℃温度以上热处理后，会被迅速地氧化成金红石结构的TiO

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高温稳定TiN薄膜及其制备方法。通过磁控溅射将一定含量的元素Cr和Si掺杂到TiN薄膜中，制备出TiN复合薄膜。薄膜中的Cr和Si不仅可以有效控制高温下基底元素向薄膜中扩散，还可以和薄膜中的N元素以共价键的方式结合，以此增加薄膜的热稳定性能。同时，在高温下，薄膜中的Cr或Si元素会向外扩散，与O元素形成致密的Cr

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种高温稳定TiN薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，先对基体利用砂纸进行机械打磨，再进行抛光处理，直至表面无明显的划痕，呈镜面；

步骤2，将经步骤1得到的基体浸入乙醇溶液进行超声波激励，再浸入去离子水进行超声波清洗；

步骤3，将经步骤2得到的基体表面擦拭干净后进行烘干处理；

步骤4，将经步骤3得到的基体置于磁控溅射仪的中央样品台上，在靶基座上装上Ti靶、Cr靶和Si靶，关闭溅射室，确认各环节无误后，进行真空抽取；

步骤5，当步骤4中的真空达到背景真空6.0×10

步骤6，当步骤5中的预溅射结束后，设置薄膜溅射参数，打开氮气阀门，打开Ti靶、Cr靶和Si靶直流电源，进行磁控共溅射，镀制TiN复合薄膜；

步骤7，当步骤6中的溅射结束后，关闭Ti靶、Cr靶和Si靶直流电源，打开真空阀门，取出薄膜样品。

本发明进一步的改进在于，步骤1中基体材料用高速钢或不锈钢金属材料，尺寸为15.0×15.0×1.0mm，高速钢或不锈钢分别用由粗到细的砂纸打磨，然后抛光处理。

本发明进一步的改进在于，步骤2中乙醇溶液超声波激励时间为5～20min，去离子水超声波清洗时间为10～30min。

本发明进一步的改进在于，步骤3中基体的烘干温度为60～100℃，烘干时间为50～100min。

本发明进一步的改进在于，步骤4中Ti靶、Cr靶和Si靶的纯度均为99.999％，在靶基座上装上Ti靶、Cr靶和Si靶时，三个靶材的角度均为45°角倾斜放置，调整基体与溅射靶材之间的距离为40～60mm，靶上不加偏压；抽取真空时，先打开机械泵和预抽阀，进行低真空的抽取，当溅射室内气压低于0.5Pa以后，关闭预抽阀，依次打开前级阀，分子泵和插板阀及，进行高真空的抽取。

本发明进一步的改进在于，步骤5中当步骤4中的真空达到背景真空6.0×10

本发明进一步的改进在于，步骤6中预溅射结束后，关闭基体挡板，设置TiN复合薄膜溅射参数，氮气流量为1～8sccm，Ti靶溅射功率为80～200W，Al靶溅射功率为30～60W，Si靶溅射功率为30～60W，共溅射沉积时间为10～40min，衬底温度为室温。

本发明进一步的改进在于，步骤7中TiN复合薄膜溅膜厚为0.4～1μm。

一种高温稳定TiN薄膜，采用所述的一种高温稳定TiN薄膜的制备方法制备得到。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

1.本发明为一种高温稳定TiN薄膜及其制备方法。该方法采用磁控共溅射，通过控制Cr靶和Si靶的功率，将含量小于10％的Cr和Si元素掺杂到TiN薄膜中，制备出TiN复合薄膜。薄膜中的Cr和Si元素不仅可以控制高温下基底金属元素向薄膜中扩散，还可以与O元素形成致密的氧化物保护层阻止氧化的深入，大大提高了薄膜的高温稳定性能。

2.本发明为一种高温稳定TiN薄膜及其制备方法。制备的薄膜经500℃～800℃氧化后，表面致密无空隙，由于薄膜表面形成了氧化物保护层，可进一步阻碍薄膜的高温氧化。薄膜与金属基体结合良好无间隙，界限分明，说明基体金属元素在高温下未向薄膜内部扩散。

3.本发明为一种高温稳定TiN薄膜及其制备方法。制备的薄膜经500℃～800℃氧化后，与未经氧化的TiN复合薄膜相比，其红外发射率变化不大，说明本发明提供的方法可有效提高薄膜的高温稳定性能，阻碍薄膜在高温氧化下性能发生恶化。

附图说明

图1是本发明制备的薄膜的XRD图；

图2是本发明制备的薄膜经700℃氧化后的表面和侧面SEM图；

图3是本发明制备的薄膜经700℃氧化前后的红外发射率图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供一种高温稳定TiN薄膜及其制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将尺寸为15.0×15.0×1.0mm的高速钢或不锈钢基体，分别用由粗到细的砂纸打磨，然后抛光处理；

步骤2，将经步骤1得到的基体浸入乙醇溶液进行超声波激励5～20min，再浸入去离子水进行超声波清洗10～30min；

步骤3，将经步骤2得到的基体表面用显微镜专用镜头纸擦拭干净，于60～100℃温度下在鼓风干燥箱中进行烘干50～100min；

步骤4，将经步骤3得到的基体置于磁控溅射仪的样品台上，在靶基座上分别装上纯度均为99.999％Ti靶、Cr靶和Si靶时三个靶材的角度均为45°角倾斜放置，调整基体与溅射靶材之间的距离为40～60mm，靶上不加偏压，关闭溅射室，确认各环节无误后，先打开机械泵和预抽阀，进行低真空的抽取，当溅射室内气压低于0.5Pa以后，关闭预抽阀，依次打开前级阀，分子泵和插板阀及，进行高真空的抽取；

步骤5，当步骤4中的真空达到背景真空6.0×10

步骤6，当步骤5中的预溅射结束后，设置氮气流量为1～8sccm，Ti靶溅射功率为80～200W，Cr靶溅射功率为30～60W，Si靶溅射功率为30～60W，共溅射沉积时间为10～40min，衬底温度为室温，关闭基体挡板，打开氮气阀门通入氮气，打开Ti靶、Cr靶和Si靶直流电源，进行反应磁控共溅射，镀制TiN复合薄膜；

步骤7，当步骤6中的溅射结束后，关闭Ti靶、Cr靶和Si靶直流电源，打开真空阀门，取出薄膜样品。

实施例1

步骤1，将尺寸为15.0×15.0×1.0mm的高速钢或不锈钢基体，分别用由粗到细的砂纸打磨，然后抛光处理；

步骤2，将经步骤1得到的基体浸入乙醇溶液进行超声波激励20min，再浸入去离子水进行超声波清洗30min；

步骤3，将经步骤2得到的基体表面用显微镜专用镜头纸擦拭干净，于80℃温度下在鼓风干燥箱中进行烘干60min；

步骤4，将经步骤3得到的基体置于磁控溅射仪的样品台上，在靶基座上分别装上纯度均为99.999％Ti靶、Cr靶和Si靶时三个靶材的角度均为45°角倾斜放置，调整基体与溅射靶材之间的距离为45mm，靶上不加偏压，关闭溅射室，确认各环节无误后，先打开机械泵和预抽阀，进行低真空的抽取，当溅射室内气压低于0.5Pa以后，关闭预抽阀，依次打开前级阀，分子泵和插板阀及，进行高真空的抽取；

步骤5，当步骤4中的真空达到背景真空6.0×10

步骤6，当步骤5中的预溅射结束后，设置氮气流量为4sccm，Ti靶溅射功率为150W，Cr靶溅射功率为30W，Si靶溅射功率为30W，共溅射沉积时间为20min，衬底温度为室温，关闭基体挡板，打开氮气阀门通入氮气，打开Ti靶、Cr靶和Si靶直流电源，进行反应磁控共溅射，镀制TiN复合薄膜；

步骤7，当步骤6中的溅射结束后，关闭Ti靶、Cr靶和Si靶直流电源，打开真空阀门，取出薄膜样品。

实施例2

步骤1，将尺寸为15.0×15.0×1.0mm的高速钢或不锈钢基体，分别用由粗到细的砂纸打磨，然后抛光处理；

步骤2，将经步骤1得到的基体浸入乙醇溶液进行超声波激励20min，再浸入去离子水进行超声波清洗30min；

步骤3，将经步骤2得到的基体表面用显微镜专用镜头纸擦拭干净，于80℃温度下在鼓风干燥箱中进行烘干60min；

步骤4，将经步骤3得到的基体置于磁控溅射仪的样品台上，在靶基座上分别装上纯度均为99.999％Ti靶、Cr靶和Si靶时三个靶材的角度均为45°角倾斜放置，调整基体与溅射靶材之间的距离为45mm，靶上不加偏压，关闭溅射室，确认各环节无误后，先打开机械泵和预抽阀，进行低真空的抽取，当溅射室内气压低于0.5Pa以后，关闭预抽阀，依次打开前级阀，分子泵和插板阀及，进行高真空的抽取；

步骤5，当步骤4中的真空达到背景真空6.0×10

步骤6，当步骤5中的预溅射结束后，设置氮气流量为4sccm，Ti靶溅射功率为150W，Cr靶溅射功率为40W，Si靶溅射功率为40W，共溅射沉积时间为20min，衬底温度为室温，关闭基体挡板，打开氮气阀门通入氮气，打开Ti靶、Cr靶和Si靶直流电源，进行反应磁控共溅射，镀制TiN复合薄膜；

步骤7，当步骤6中的溅射结束后，关闭Ti靶、Cr靶和Si靶直流电源，打开真空阀门，取出薄膜样品。

实施例3

步骤1，将尺寸为15.0×15.0×1.0mm的高速钢或不锈钢基体，分别用由粗到细的砂纸打磨，然后抛光处理；

步骤2，将经步骤1得到的基体浸入乙醇溶液进行超声波激励20min，再浸入去离子水进行超声波清洗30min；

步骤3，将经步骤2得到的基体表面用显微镜专用镜头纸擦拭干净，于80℃温度下在鼓风干燥箱中进行烘干60min；

步骤4，将经步骤3得到的基体置于磁控溅射仪的样品台上，在靶基座上分别装上纯度均为99.999％Ti靶、Cr靶和Si靶时三个靶材的角度均为45°角倾斜放置，调整基体与溅射靶材之间的距离为45mm，靶上不加偏压，关闭溅射室，确认各环节无误后，先打开机械泵和预抽阀，进行低真空的抽取，当溅射室内气压低于0.5Pa以后，关闭预抽阀，依次打开前级阀，分子泵和插板阀及，进行高真空的抽取；

步骤5，当步骤4中的真空达到背景真空6.0×10-4Pa后，设置氩气流量为40sccm，溅射气压为0.3Pa，Ti靶、Cr靶和Si靶溅射功率为100W，打开基体挡板，打开氩气阀门通入氩气，打开Ti靶、Cr靶和Si靶直流电源，对Ti靶、Cr靶和Si靶进行预溅射20min，除去Ti靶、Cr靶和Si靶表面附着的杂质；

步骤6，当步骤5中的预溅射结束后，设置氮气流量为4sccm，Ti靶溅射功率为150W，Cr靶溅射功率为50W，Si靶溅射功率为50W，共溅射沉积时间为20min，衬底温度为室温，关闭基体挡板，打开氮气阀门通入氮气，打开Ti靶、Cr靶和Si靶直流电源，进行反应磁控共溅射，镀制TiN复合薄膜；

步骤7，当步骤6中的溅射结束后，关闭Ti靶、Cr靶和Si靶直流电源，打开真空阀门，取出薄膜样品。

实施例4

步骤1，将尺寸为15.0×15.0×1.0mm的高速钢或不锈钢基体，分别用由粗到细的砂纸打磨，然后抛光处理；

步骤2，将经步骤1得到的基体浸入乙醇溶液进行超声波激励20min，再浸入去离子水进行超声波清洗30min；

步骤3，将经步骤2得到的基体表面用显微镜专用镜头纸擦拭干净，于80℃温度下在鼓风干燥箱中进行烘干60min；

步骤4，将经步骤3得到的基体置于磁控溅射仪的样品台上，在靶基座上分别装上纯度均为99.999％Ti靶、Cr靶和Si靶时三个靶材的角度均为45°角倾斜放置，调整基体与溅射靶材之间的距离为45mm，靶上不加偏压，关闭溅射室，确认各环节无误后，先打开机械泵和预抽阀，进行低真空的抽取，当溅射室内气压低于0.5Pa以后，关闭预抽阀，依次打开前级阀，分子泵和插板阀及，进行高真空的抽取；

步骤5，当步骤4中的真空达到背景真空6.0×10

步骤6，当步骤5中的预溅射结束后，设置氮气流量为4sccm，Ti靶溅射功率为200W，Cr靶溅射功率为30W，Si靶溅射功率为30W，共溅射沉积时间为20min，衬底温度为室温，关闭基体挡板，打开氮气阀门通入氮气，打开Ti靶、Cr靶和Si靶直流电源，进行反应磁控共溅射，镀制TiN复合薄膜；

步骤7，当步骤6中的溅射结束后，关闭Ti靶、Cr靶和Si靶直流电源，打开真空阀门，取出薄膜样品。

利用本发明方法制备的一种高温稳定TiN薄膜的XRD图，如图1所示，由于掺杂的Cr和Si两元素的含量较少，薄膜中只检测到了大量的TiN主晶相，说明成功制备出了TiN薄膜。

利用本发明方法制备的一种高温稳定TiN薄膜的SEM表面形貌图，如图2所示，制备的薄膜经700℃氧化后，可以观察到薄膜表面非常致密无空隙，并且在薄膜表面发现许多微小聚集在一起的颗粒，经检测为氧化物颗粒，说明该薄膜的表面形成了一定厚度的氧化层，这有利于隔绝外界空气与薄膜的进一步接触，有效提高薄膜的抗氧化性能。此外，制备的薄膜经700℃氧化后，薄膜与金属基体结合良好无间隙，界限分明，说明Cr和Si元素的引入，阻碍了基体金属元素在高温下向薄膜内部的扩散，薄膜保持了良好的稳定性。

利用本发明方法制备的一种高温稳定TiN薄膜的红外发射率对比图，如图3所示，制备的薄膜经700℃氧化后，与未经高温氧化的TiN复合薄膜相比，两者的红外发射率均在0.3～0.4之间，说明本发明提供的方法可有效提高薄膜的高温稳定性能，阻碍薄膜在高温氧化下性能发生恶化。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。