采用磁控濺射的方法，選用化學(xué)成分相同而相結(jié)構(gòu)完全不同的兩種靶材在硬質(zhì)合金基體上沉積薄膜，使用X射線衍射、掃描電鏡、X射線能譜儀和壓痕法分別測量了薄膜的相結(jié)構(gòu)、表面形貌、薄膜的化學(xué)成分和薄膜與基體的結(jié)合力，結(jié)果表明，未合金化靶材中Al和Ti在濺射過程中部分發(fā)生了化合反應(yīng)生成了Al2Ti相，但還有密排六方的Ti相存在，未合金化靶材薄膜的晶粒大于合金化靶材薄膜的晶粒，薄膜結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)于合金化靶材薄膜。本文認(rèn)為兩種靶材的薄膜在沉積過程中生長機(jī)理不同，未合金化靶材薄膜與基體有很好的潤濕性，以層狀結(jié)構(gòu)生長，而合金化靶薄膜與基體的潤濕性差，島狀生長傾向明顯。
磁盤存儲密度和讀取速度的提高，薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的提高，涂層刀具硬度的提高，大規(guī)模集成電路線寬的變窄，都得益于薄膜技術(shù)的飛速發(fā)展。目前國內(nèi)外對薄膜的生產(chǎn)工藝，比如說氣體流量、偏壓、基體溫度和濺射功率進(jìn)行了大量的研究；通過建立數(shù)學(xué)模型，采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對薄膜的沉積機(jī)理進(jìn)行了廣泛的研究，但對相同成分、不同微觀結(jié)構(gòu)靶材對薄膜性能影響的研究鮮見報(bào)道。隨著不同領(lǐng)域?qū)δ有阅芤蟮奶岣?，靶材種類越來越多，靶材成分越來越復(fù)雜，由純金屬發(fā)展為合金，但是有些優(yōu)質(zhì)薄膜對應(yīng)的合金靶材是金屬間化合物，材料很脆，容易開裂，生產(chǎn)和加工困難。如何選擇一種技術(shù)難度小，容易生產(chǎn)，成本低，而又能滿足薄膜性能要求的靶材制造方法，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.chvacuum.com/)認(rèn)為這個已經(jīng)成為擺在濺射靶材研究人員面前的迫切需要解決的問題。本文研究了一種成分相同，而相結(jié)構(gòu)完全不同的Ti33Al67靶材沉積薄膜的性能，從微觀角度探討了兩種靶材沉積薄膜性能產(chǎn)生差異的原因。
1、實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)采用的鍍膜設(shè)備是四川大學(xué)自制PEMS-800型物理氣相沉積(PVD)磁控濺射鍍膜機(jī)。鍍膜過程中的工作氣體為高純Ar，在沉積薄膜之前先對靶材進(jìn)行離子刻蝕清洗。選用靶材的成分為Ti∶Al比為33∶67(原子比)，未合金化靶材和合金化靶材兩種，這兩種靶材采用同一鍍膜工藝沉積薄膜，鍍膜工藝為：本底真空度為3.7×10-1Pa，基體偏壓40V，Ar氣體流量比為85mL/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，沉積時間為240min，靶電流為7.0A。
樣品分析采用FEI場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察薄膜的表面形貌；采用X射線衍射儀(XRD，Philips，Holland)分析了兩種靶材及其薄膜的相結(jié)構(gòu)，衍射時選用Cu靶(λ=0.154056nm)；采用壓痕實(shí)驗(yàn)檢測薄膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度，壓痕試驗(yàn)設(shè)備選用洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)，圓錐形金剛石壓頭，載荷為60kg，壓載時間為4s。
2、結(jié)論
未合金化靶材中Al和Ti在濺射過程中部分發(fā)生化合反應(yīng)生成Al2Ti相，放出熱量，但還有密排六方的Ti相存在；合金化靶材薄膜主相為Al2Ti相。未合金化靶材薄膜和合金化靶材薄膜相比，晶粒大，表面光滑，粗糙度小，與基體結(jié)合強(qiáng)度高。本文認(rèn)為產(chǎn)生這些差異的根本原因在于兩種靶材的薄膜在沉積過程中生長機(jī)理不同，未合金化靶材薄膜與基體有很好的潤濕性，以層狀結(jié)構(gòu)生長，而合金化靶薄膜與基體的潤濕性差，以島狀結(jié)構(gòu)生長。產(chǎn)生薄膜成分差別的原因在于靶材在濺射過程中產(chǎn)生的分子和原子團(tuán)的種類不同，而薄膜與靶材成分差別與沉積元素Ti對元素Al的影響造成Al的反濺射率高，以及Al與基體的附著力差有關(guān)。
