[发明专利]氮化钛薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄膜的制备方法，特别是涉及一种氮化钛薄膜的制备方法。

背景技术

氮化钛薄膜具备多种优良性能，包括极高的硬度、抗磨损性、抗腐蚀性、高熔点以及优良的导电性。基于上述这些优点，氮化钛薄膜在很多领域有着很重要的应用，如可用于切削工具、机械部件以及高温结构材料的耐腐蚀、耐摩擦涂层，微电子产业中的扩散阻挡层、导电薄膜，同时由于其在红外波段具有较高的反射率也可用于高效节能镀膜玻璃的制备，此外其可与黄金媲美的色泽使其也可用于装饰涂层。

当前氮化钛薄膜的制备多采用气相沉积、磁控溅射以及离子镀等工艺。然而上述工艺由于自身工艺特点普遍存在着固有的局限性，即镀膜衬底的尺寸和形状受工艺特性影响而受到很大限制，同时大多要求较高的真空条件。

文献“Elam J W,Schuisky M,Ferguson J D,et al.Surface chemistry and film growth during TiN atomic layer deposition using TDMAT and NH₃.Thin Solid Films,2003,436(2):145-156.”报道了采用原子层沉积工艺在单晶硅及钠钙玻璃衬底上制备了氮化钛薄膜，以四(二甲氨基)钛和氨气为原料采用连续曝光的方式制备，获得的薄膜具有较高的孔隙率(约为40％)。上述制备方法虽然得到了氮化钛薄膜，但其制备的薄膜电阻率较高，最低都在1.4×10⁴μΩ·cm以上，因此采用这种方式制备氮化钛薄膜存在其电阻率较高的问题，此外这种方法还存在前述其工艺自身的局限性，即镀膜衬底的尺寸和形状受真空条件等要求而受到很大限制。

发明内容

为了克服现有方法制备的氮化钛薄膜电阻率高的不足，本发明提供一种氮化钛薄膜的制备方法。该方法利用含钛的有机前驱体溶胶，在常温下浸渍衬底，干燥后进行热处理得到氧化钛薄膜，随后在氨气气氛下对氧化钛薄膜进行高温氮化处理，获得氮化钛薄膜。得到的氮化钛薄膜导电性良好，改善了背景技术方法制备氮化钛薄膜电阻率高导电性差的问题。此外，采用本发明方法制备的氮化钛薄膜不仅导电性好，而且突破了背景技术对衬底形状和镀膜环境真空度的要求，可以常压下在异形衬底上制备氮化钛薄膜。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种氮化钛薄膜的制备方法，其特点是采用以下步骤：

步骤一、将衬底依次在去离子水、丙酮和无水乙醇中浸泡后超声波清洗，干燥待用；

步骤二、将钛酸四丁酯和二乙醇胺加入无水乙醇中，搅拌混合均匀后得到A溶液；将无水乙醇和去离子水混合，得到B溶液；所述钛酸四丁酯:水:二乙醇胺:无水乙醇的摩尔比为1:1:1:21；

步骤三、将步骤二得到的B溶液逐滴加入到持续搅拌着的A溶液中，搅拌混合均匀；

步骤四、将步骤三得到的溶液放置陈化21～25h，得到稳定的钛基前驱体溶胶；

步骤五、通过浸渍提拉的方式将溶胶沉积在衬底上，将衬底浸于溶胶中2～4min，然后以0.18～0.9mm/s的速度垂直提拉，在空气中干燥6～10min，然后置于80～100℃烘箱中干燥11～15min，在衬底表面得到一层薄膜；

步骤六、将步骤五得到的薄膜在马弗炉中进行热处理，热处理温度550～750℃，处理时间为20～40min，得到一层氧化钛薄膜；

步骤七、重复步骤五和步骤六3～15次，得到不同厚度的氧化钛薄膜；

步骤八、将步骤七得到的氧化钛薄膜放置于快速升温真空管式气氛炉中，抽真空之后通入氨气，氨气流量50～250mL/min；

步骤九、快速升温至950～1150℃下热处理2～6h，升温速率2～10℃/min；

步骤十、降温，在降温过程中保持氨气气氛。

所述衬底是石英玻璃或者氧化铝陶瓷的任一种。

本发明的有益效果是：该方法利用含钛的有机前驱体溶胶，在常温下浸渍衬底，干燥后进行热处理得到氧化钛薄膜，随后在氨气气氛下对氧化钛薄膜进行高温氮化处理，获得氮化钛薄膜。得到的氮化钛薄膜导电性良好，改善了背景技术方法制备氮化钛薄膜电阻率高导电性差的问题。经测试，本发明方法所制备氮化钛薄膜的电阻率由背景技术的1.4×10⁴μΩ·cm降低为3×10²～5.3×10²μΩ·cm。此外，采用本发明方法制备的氮化钛薄膜不仅导电性好，而且突破了背景技术对衬底形状和镀膜环境真空度的要求，可以常压下在异形衬底上制备氮化钛薄膜。