一种制备氮化钛薄膜及其磁控溅射靶材的方法

技术领域

本发明涉及磁控溅射靶材及其加工方法，尤其涉及一种制备氮化钛薄膜及其磁控溅射靶材的方法。

背景技术

氮化钛属于间隙化合物，化学稳定性好，熔点高达3000℃，维氏显微硬度为20GPa左右。由于氮化钛膜的硬度高、硬性好，并兼有良好的韧性，耐磨性好，作为耐磨涂层时能成倍提高磨损性硬质合金的寿命，大量用作表壳、表带和其它日用品的仿金镀层，其耐磨性远超过镀金层和其它仿金合金镀层。此外，氮化钛膜还可用作耐腐蚀镀层、微电子器件的扩散障碍层、光学反射层等。

现有技术中氮化钛薄膜多采用以金属钛为靶材，在磁控溅射镀膜室中通入反应气体氮气和工作气体氩气，在基底表面沉积形成氮化钛薄膜。但这种氮化钛的磁控溅射镀膜技术存在很多的缺陷。首先，以纯的钛作为靶材，靶材表面晶格缺陷化学活性较高，在氮气氛中与氮气分子形成TiNx，导致靶材表面中毒，大大降低了钛自由原子的发射，中毒后的靶材磁控溅射效率大大降低，在基底表面形成的氮化钛薄膜时间轴线上质量不均一；其次，依靠靶材发射的自由钛与氮气在基底表面反应形成氮化钛薄膜，微观区域的元素比例存在较高的概率波动，微观上的氮化钛薄膜晶格缺陷较多，影响了氮化钛的强度等性质；第三，无论何种工艺方法都要适应商业化的工业生产，否则不能实现经济价值。氮化钛的磁控溅射镀膜工艺也不例外。工业生产中磁控溅射镀膜机多是通用机器，大多数常见镀膜机靶材经常更换，在不同基底材料表面形成不同的镀膜，而工作气体多采用氩气。这种通入氮气的氮化钛磁控溅射镀膜方式导致镀膜机内部腔室产生氮污染，可能会影响到其他镀膜的质量，影响商业化的工业生产。

因此，一种不产生氮污染、镀膜微观结构均一稳定的氮化钛镀膜方式，是磁控溅射镀膜领域所急需的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种制备氮化钛薄膜及其磁控溅射靶材的方法，解决现在磁控溅射镀膜氮化钛产生的氮污染、质量缺陷过多的问题。

技术方案

一种制备氮化钛薄膜及其磁控溅射靶材的方法，步骤包括：

a.氮化钛粉体筛分获得氮化钛颗粒；

b.氮化钛颗粒进行脱氧处理；

c.氮化钛颗粒进行氮化处理；

d.将氮化钛颗粒经等离子体热喷涂于基底材料，获得氮化钛磁控溅射靶材；

e.氮化钛磁控溅射靶材在氩气氛围中进行磁控溅射镀膜，在产品表面获得氮化钛薄膜。

进一步，步骤a中氮化钛颗粒粒度为100～400目，优选为超声筛选；

进一步，步骤b所述脱氧处理步骤包括：氮化钛颗粒在氢气与氩气(或氮气)的混合气体中进行脱氧处理；

进一步，脱氧处理的温度为300～600℃；

进一步，脱氧处理的气体中氢气的含量为5％～20％；

进一步，步骤c中所述氮化处理步骤包括：氮化钛颗粒在氮气氛中进行氮化处理，温度为400～800℃；

进一步，步骤d中，将氮化钛陶瓷颗粒经等离子体热喷涂于基底材料，获得磁控溅射靶材的工艺包括：

d-1：对靶材基底进行表面粗糙化；

d-2：对表面粗糙化的靶材基底打底处理；

d-3：在打底后的靶材基底表面进行等离子体热喷涂，获得磁控溅射靶材。

进一步，等离子喷涂在真空氮气环境中进行喷涂，冷却气体为氮气。

有益效果

1、采用本发明的一种制备氮化钛薄膜及其磁控溅射靶材的方法，通过直接采用氮化钛成分的致密靶材，钛元素、氮元素的自由原子发射比例恒定，在靶材表面不会形成TiNx等其它氮与钛的复杂复合物，不会导致类似纯钛靶材中毒的现象，所制备的氮化钛镀膜在时间轴坐标上质量恒定。

2、钛元素、氮元素的自由原子发射比例恒定，在基底材料表面形成氮化钛中氮与钛的元素比例恒定，所制备氮化钛薄膜微观区域范围内晶型恒定，所制备氮化钛薄膜缺陷较少，有效提升氮化钛薄膜的质量。

3、整个制备工艺过程，镀膜中的氮与钛元素成分均来自靶材，保护气体为氩气等，不存在氮气污染的问题。采用本工艺生产氮化钛镀膜后，磁控溅射机器可以直接转用其它薄膜的制备，所制备其他薄膜中无氮元素污染，有效提升机器使用效率。

4、该工艺所制备的氮化钛靶材致密性好，导电性好，结构均匀。喷涂的厚度可达到2-15mm、长度最大可达到4000mm；且喷涂的靶材具有纯度高(≥99.9％)、相对密度大(≥95％，理论密度5.43g/cm

附图说明

图1为靶材实物图；

图2为靶材的微观结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图1～2，进一步阐述本发明。

本发明选用一定目数的氮化钛粉末颗粒，经脱氧处理、氮化处理后得到粉体。再经等离子体热喷涂于基底材料，获得氮化钛磁控溅射靶材；在氩气氛围中进行磁控溅射镀膜，在产品表面获得氮化钛薄膜。从而提供一种制备氮化钛薄膜的磁控溅射靶材。

为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明进一步说明。本领域技术人员应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的旋转氮化钛靶材的制备方法，具体包括以下步骤：

1)制备喷涂粉体：选用脱氧氮化处理后的氮化钛粉末作为喷涂粉体，且粒径为100-400目；本实施例中，脱氧处理采用5％～20％氢气含量的氢气-氩气混合气体，在300～600℃环境中脱除氮化钛颗粒中的氧气；

2)氮化处理：将上述氮化钛颗粒置于氮气氛围中，升温至400～800℃，对氮化钛颗粒进行氮化处理；

3)靶材基底：选用304无磁不锈钢管作为靶材基底，选用铸钢砂对基底表面进行喷砂处理，再选用铜镍丝或镍铝丝电弧打底；

4)等离子体热喷涂：将打底处理后的靶材基底安装在传动设备上，通70-95℃热水后使其绕中心轴转动的同时在水平方向上来回运动，喷枪保持固定。基底的表面温度达到40℃以上时，喷枪点火，同时向罐体中填充氮气，烘烤15-25min后，开始送粉。粉末通过等离子体喷枪高速溅射到靶材基底表面沉积形成涂层，得到靶材；

其中，等离子体热喷涂的工艺参数如下：主气流量为35-45SLPM，次气流量为9.5-13.0SLPM，电流420-470A，送粉量90-130g/min，喷涂距离为180-220mm。

4)成型：将喷涂完成后的靶材进行机加工成需要的尺寸和精度，制得成品。

以下再通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明，实施例中所用的原料如无特殊说明，均可从常规商业途径得到。

实施例1

本实施例为304不锈钢上制备2.5mm厚度的氮化钛靶材，制备方法具体如下：

1)制备氮化钛粉末：粉末的粒度为120-270目；

2)靶材基底：选择规格ID56×OD64×L1180mm的304无磁不锈钢管作为靶材基底，选用铸钢砂对基底表面进行喷砂处理，然后再选用镍铝丝电弧打底；

3)等离子体热喷涂：将打底处理后的靶材基底安装在传动设备上，通水后使其绕中心轴转动的同时在水平方向上来回运动，喷枪保持固定。基底的表面温度达到40℃以上时，喷枪点火，同时向罐体中填充氮气，烘烤15-25min后，开始送粉。粉末通过等离子喷枪高速溅射到靶材基底表面沉积形成涂层，得到靶材。

等离子体热喷涂的具体参数如表1所示：

表1

4)成型：将喷涂完成后的靶材进行机加工成需要的尺寸和精度，制得成品。并磁控溅射镀膜，测试性能。

经检测，本实施例制备的氮化钛靶材的厚度为2.25mm，密度5.16g/cm

实施例2

本实施例为304不锈钢上制备3.5mm厚度的氮化钛靶材，制备方法具体如下：

1)制备氮化钛粉末：粉末的粒度为150-270目；

2)准备基底：选用规格：ID80×OD88×L1550mm的304无磁不锈钢管作为靶材基底，使用铸钢砂对基底表面进行喷砂处理，然后再使用镍铝丝电弧打底；

3)等离子体热喷涂：将打底处理后的靶材基底安装在传动设备上，通水后使其绕中心轴转动的同时在水平方向上来回运动，喷枪保持固定。基底的表面温度达到40℃以上时，喷枪点火，同时向罐体中填充保护气体，烘烤15-25min后，开始送粉。粉末通过等离子喷枪高速溅射到靶材基底表面沉积形成涂层，得到靶材。

等离子体热喷涂的具体参数如表2所示：

表2

4)成型：将喷涂完成后的靶材进行机加工成需要的尺寸和精度，制得成品。并磁控溅射镀膜，测试性能。

经检测，本实施例制备的氮化钛靶材的厚度为3.5mm，密度5.18g/cm

实施例3

本实施例为304不锈钢上制备4.5mm厚度的氮化钛靶材，制备方法具体如下：

1)制备氮化钛粉末：粉末的粒度为150-325目；

2)准备基底：选择规格ID125×OD133×L1640mm的304无磁不锈钢管作为靶材基底，使用铸钢砂对基底表面进行喷砂处理，然后再使用镍铝丝电弧打底；

3)等离子体热喷涂：将打底处理后的靶材基底安装在传动设备上，通水后使其绕中心轴转动的同时在水平方向上来回运动，喷枪保持固定。基底的表面温度达到40℃以上时，喷枪点火，同时向罐体中填充氮气，烘烤15-25min后，开始送粉。粉末通过等离子喷枪高速溅射到靶材基底表面沉积形成涂层，得到靶材。

等离子体热喷涂的具体参数如表3所示：

表3

4)成型：将喷涂完成后的靶材进行机加工成需要的尺寸和精度，制得成品。并磁控溅射镀膜，测试性能。

经检测，本实施例的氮化钛靶材厚度为4.5mm，密度5.22g/cm

实施例4

本实施例为304不锈钢上制备5mm厚度的氮化钛靶材，制备方法具体如下：

1)制备氮化钛粉末：粉末的粒度为180-300目；

2)准备基底：选择规格ID125×OD133×L1940mm的304无磁不锈钢管作为靶材基底，使用铸钢砂对基底表面进行喷砂处理，然后再使用镍铝丝电弧打底；

3)等离子体热喷涂：将打底处理后的靶材基底安装在传动设备上，通水后使其绕中心轴转动的同时在水平方向上来回运动，喷枪保持固定。基底的表面温度达到40℃以上时，喷枪点火，同时向罐体中填充氮气，烘烤15-25min后，开始送粉。粉末通过等离子喷枪高速溅射到靶材基底表面沉积形成涂层，得到靶材。

等离子体热喷涂的具体参数如表4所示：

表4

4)成型：将喷涂完成后的靶材进行机加工成需要的尺寸和精度，制得成品。并磁控溅射镀膜，测试性能。

经检测，本实施例制备的氮化钛靶材的厚度为5mm，密度5.25g/cm

实施例5

本实施例为304不锈钢上制备5.5mm厚度的氮化钛靶材，制备方法具体如下：

1)制备氮化钛粉末：粉末的粒度为200-325目；

2)准备基底：选择规格ID125×OD133×L2430mm的304无磁不锈钢管作为靶材基底，使用铸钢砂对基底表面进行喷砂处理，然后再使用镍铝丝电弧打底；

3)等离子体热喷涂：将打底处理后的靶材基底安装在传动设备上，通水后使其绕中心轴转动的同时在水平方向上来回运动，喷枪保持固定。基底的表面温度达到40℃以上时，喷枪点火，同时向罐体中填充氮气，烘烤15-25min后，开始送粉。粉末通过等离子喷枪高速溅射到靶材基底表面沉积形成涂层，得到靶材。

等离子体热喷涂的具体参数如下表5：

表5

4)成型：将喷涂完成后的靶材进行机加工成需要的尺寸和精度，制得成品。并磁控溅射镀膜，测试性能。

经检测，本实施例制备的氮化钛靶材的厚度为5.5mm，密度5.27g/cm

实施例6

本实施例为304不锈钢上制备6.5mm厚度的氮化钛靶材，制备方法具体如下：

1)制备氮化钛粉末：粉末的粒度为250-400目；

2)准备基底：选择规格ID125×OD133×L2886mm的304无磁不锈钢管作为靶材基底，使用铸钢砂对基底表面进行喷砂处理，然后再使用镍铝丝电弧打底；

3)等离子体热喷涂：将打底处理后的靶材基底安装在传动设备上，通水后使其绕中心轴转动的同时在水平方向上来回运动，喷枪保持固定。基底的表面温度达到40℃以上时，喷枪点火，同时向罐体中填充氮气，烘烤15-25min后，开始送粉。粉末通过等离子喷枪高速溅射到靶材基底表面沉积形成涂层，得到靶材。

等离子具体参数如表6所示：

表6

4)成型：将喷涂完成后的靶材进行机加工成需要的尺寸和精度，制得成品。并磁控溅射镀膜，测试性能。

经检测，本实施例制备的氮化钛靶材的厚度为6.5mm，密度5.27g/cm

对比例1

本对比例为304不锈钢上制备3mm厚度的氮化钛靶材，制备方法具体如下：

1)制备氮化钛粉末：粉末的粒度为300-400目；

2)准备基底：选择规格ID125×OD133×L2886mm的304无磁不锈钢管作为靶材基底，使用铸钢砂对基底表面进行喷砂处理，然后再使用镍铝丝电弧打底；

3)等离子体热喷涂：将打底处理后的靶材基底安装在传动设备上，通水后使其绕中心轴转动的同时在水平方向上来回运动，喷枪保持固定。基底的表面温度达到40℃以上时，喷枪点火的同时向罐体中填充氮气，烘烤15-25min后，开始送粉。粉末通过等离子喷枪高速溅射到靶材基底表面沉积形成涂层，得到靶材。

等离子体热喷涂的具体参数如表7所示：

表7

4)成型：将喷涂完成后的靶材进行机加工成需要的尺寸和精度，制得成品。并磁控溅射镀膜，测试性能。

经检测，本对比例制备的氮化钛靶材的厚度为3mm，密度5.22cm

对比例2

本对比例为大气喷涂4.5mm厚度氮化钛靶材，制备方法具体如下：

1)制备氮化钛粉末：粉末的粒度要求为150-325目，且氮化钛颗粒未经过除去氧气、氮化的处理工艺；

2)准备基底：选择规格ID125×OD133×L1640mm的304无磁不锈钢管作为靶材基底，使用铸钢砂对基底表面进行喷砂处理，然后再使用镍铝丝电弧打底；

3)大气喷涂：将打底处理后的靶材基底安装在传动设备上，通水后使其绕中心轴转动，喷枪来回移动，整个设备裸露在空气中，点火、送粉。

等离子体热喷涂的具体参数如表8所示：

表8

4)成型：将喷涂完成后的靶材进行机加工成需要的尺寸和精度，制得成品。并磁控溅射镀膜，测试性能。

经检测，本对比例制备的氮化钛靶材的厚度为4.5mm，密度5.08g/cm

以上实施例和对比例仅为部分数据，对于不同粒度的粉末，需要匹配合适的喷涂工艺参数，主气38-42slpm；次气10.5-12.5slpm；电流435-460A；总送粉量100-120g/min；喷涂距离190-205mm；靶材基底的转速和移动速度要相匹配，在设备允许的前提下，尽可能的快。

根据实施例1～6工艺所制备氮化钛靶材相对密度大(≥95％，理论密度5.43g/cm