ALD工艺制备氮化钛（TiN）薄膜
通过原子层沉积（ALD）工艺制备的氮化钛（TiN）薄膜，具有高硬度、优异的耐磨性、高耐腐蚀性、低摩擦系数、高温稳定性、电导性、优异的生物相容性和美观的装饰性。这些优异性质使得TiN薄膜在机械加工、电子和半导体、装饰、生物医用、光学和航空航天等多个领域得到了广泛应用。尽管ALD工艺具有沉积速率较低和设备成本较高的缺点，但其在制备高质量TiN薄膜方面的优势是无可比拟的。
氮化钛薄膜的性质
- 高硬度：TiN薄膜的维氏硬度约为1800-2100HV，提供了卓越的耐磨性能。
- 优异的耐磨性：TiN薄膜显著提高了基材的耐磨性，适用于高摩擦和高磨损环境。
- 高耐腐蚀性：TiN薄膜对许多化学试剂具有良好的抗腐蚀性，特别是在酸性和碱性环境中。
- 低摩擦系数：摩擦系数约为0.4-0.6，有助于减少磨损，提高润滑性。
- 高温稳定性：TiN薄膜在高温下具有良好的化学和物理稳定性，最高可以耐受600-800°C的高温。
- 电导性：TiN薄膜具有良好的导电性，电阻率约为25-30μΩ·cm。
- 优异的生物相容性：TiN薄膜无毒且生物相容性好，适用于生物医用涂层。
- 装饰性：TiN薄膜具有金黄色的光泽，且不易褪色，常用于装饰性涂层。
原子层沉积（ALD）工艺
原子层沉积（ALD）是一种基于自限性化学反应的薄膜沉积技术，通过分步引入前驱体气体，精确控制薄膜的厚度和成分。ALD工艺特别适用于制备高质量、超薄且均匀的TiN薄膜。
ALD制备TiN薄膜的工艺步骤
1.基材表面清洁：确保基材表面干净，无有机物和氧化物。
2.前驱体引入：交替引入钛前驱体和氮前驱体气体。
- 常用钛前驱体：四氯化钛（TiCl₄）、四异丙氧基钛（Ti(OiPr)₄）。
- 常用氮前驱体：氨气（NH₃）、氮气（N₂）。
3.反应步骤：
- 钛前驱体吸附：在特定温度下，将钛前驱体引入反应腔室，使其吸附在基材表面。
- 吹扫：用惰性气体（如氮气）吹扫，去除多余的钛前驱体和副产物。
- 氮前驱体反应：引入氮前驱体，与吸附在基材表面的钛前驱体反应，形成氮化钛薄膜。
- 再次吹扫：用惰性气体吹扫，去除多余的氮前驱体和副产物。
4.循环沉积：重复上述步骤，逐层沉积，直至达到所需的薄膜厚度。
优点
- 厚度精确控制：每次反应仅沉积一个原子层，精确控制薄膜厚度。
- 高均匀性：薄膜在复杂形状和大面积基材上均匀分布。
- 低温工艺：沉积温度较低，适合温度敏感的基材。
- 高质量薄膜：薄膜致密、纯度高、缺陷少。
缺点
- 沉积速率低：每个循环仅沉积一个原子层，整体沉积速率较慢。
- 设备复杂和成本高：需要精确控制气体流量和温度，设备成本较高。
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