反应性直流磁控溅射制备Si-Al氧氮涂层的结构和化学组成

Ramón Álvaro巴尔加斯-奥尔蒂斯和弗朗西斯科·哈维尔Espinoza-Beltrán

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AZojomo (ISSN 1833-122X)第1卷2005年11月

主题涵盖

摘要

关键字

介绍

实验

结果和讨论

结论

确认

参考

详细联系方式

摘要

基于(Si,Al)(O,N)的四元体系Si - Al - O - N及相关体系陶瓷涂层的制备₄四面体结构。这些材料具有欧洲杯足球竞彩几种有趣的机械，热和化学性质，使其成为高温应用的候选物。通过反应性DC磁控管共溅射技术生产Si-Al氧 - 氮化物涂层，使用部分覆盖有C-Si晶片的铝的靶标。Si:Al的面积比从0:1到大约1:1不等。在每个涂层沉积过程中，都引入了控制熔剂质量的氩气-氮气-氧气混合反应气氛。衬底偏压电位的引入可以改善涂层的氮和硅含量。具有由Al的化学成分的涂层多样性₂O_3.得到了AlN ~ (Si,Al)O和(Si,Al)(O,N)相。在每次蒸发过程中进行光发射光谱（OES）以检测激发到血浆中的物种。涂层显示出显性无定形结构。然而，对于一些成分也观察到多晶结构。采用x射线衍射(XRD)、电子色散能(EDS)和拉曼散射(Raman)对涂层进行表征。

关键字

Si-al-O-ncompounds特区r难以置信年代足,拉曼年代cattering、光学e任务年代灯镜，纳米晶体年代Ileicon.

介绍

Sialons是陶瓷SiO已经发生₂——如果_3.N₄- AlN - Al₂O_3.系统。由于sialon的化学惰性，良好的抗热震性和优良的力学性能保持到高温，sialon系统在工程[1]中发现了大量的应用。它们可以具有广泛的组成，更常见的唾液形式β-sialon, O-sialon, X-sialon和α-sialon。β-sialon是如果_6-Z.艾尔_zO_zN_8-z，其中z的值可以从0开始(纯Si_3.N₄）至4.2。这些sialons与β如果_3.N₄．o-sialon是si_{2 - x}艾尔_xO_{1 + x}N_{2 - x}，其中x可以具有0到约0.4的值。X-sialon,名义上₁₂艾尔₁₈O₃₉．这些sialons与莫来石是等结构的，可以认为是莫来石与Si的固溶体_3.N₄．α-sialon是同结构的α如果_3.N₄在稳定金属离子Mg、Y或Ca[1]存在下，可以形成。

Sialons几乎从未被发现作为天然矿物质和sialon粉必须合成。Sialons可以通过反应烧结或热压氧化、氮和氧化氮粉末的起始粉末混合物[1,2]制成。它们也可以被利用碳热还原过程(CTR)[3,4]。另一方面，反应性直流磁控溅射技术是一种允许发展各种类型的涂层的技术。这些涂层可以是纯金属和非金属、金属氧化物、金属氮化物和金属碳化物;具有非常不同的结构和性质。以四元Si-Al-O-N体系[6]为原料制备涂层的文献报道较少。在这项工作中，我们使用不同技术向该系统的涂层进行研究，以表征其结构和化学成分。

实验

采用直流磁控反应共溅射技术(INTERCOVAMEX溅射系统)在高速钢(HSS)基体上制备了Si - Al - O - N体系的涂层。以直径5.0 cm的圆柱形铝片为靶材，部分覆盖c-Si片，确定Si:Al比例为50:50和60:40。氩气为99.999%纯度的类似惰性气体，氧气和氮气分别为99.999%和99.5%纯度的反应气体。在涂层的生长过程中进行光发射光谱（OES），以检测等离子体中所涉及的物种（光纤光谱仪海洋光学2000）。用扫描电镜(PHILIPS EDAX XL30 ESEM)对所得涂层进行了分析。

此外，对每个样品进行了能量色散光谱(EDS)的化学成分分析。用x射线衍射(XRD, Rigaku D/Max-2100)研究了结构。使用稀释型SPEX系统获得微拉曼分散频谱，与632.8nm的HE-NE激发线一起使用。所得镀层生长过程中使用的参数列于表1。

表格1。增长p反应式直流磁控溅射Si-Al-O-N系统的参数。

结果和讨论

这项工作的目的是通过反应性DC磁控溅射技术开发一种从Si-Al-O-N系统涂覆的生产方法。涂层是通过改变生长参数(表1)获得的，允许我们评估对样品结构和成分的影响。每一种涂层的EDS化学成分列于表2。

表2。通过EDS测量得到的涂层样品的化学成分。

似乎衬底中的偏置电压辅助氮气掺入。无偏压且氮气流量为20 sccm时，涂层包含3.05 at。%的氮;另一方面，6。45和6。92。当偏置电压为-250V和-300V时，氮含量分别为%。然而，对基材施加高负偏置电压会对涂层产生强烈的侵蚀(图1)。

图1．扫描电镜图像的SO0N20B-250涂层使用-250 V偏压在基片上。

当未应用偏差时，图2中没有观察到表面的侵蚀。

图2。在基片上无偏置电压的情况下，获得了SO0N20B0涂层的扫描电镜图像。

SO0N20B-250样品的发射光谱(图3)显示了以下几种:Ar(I)，其中Ar(I)是最显著的线;N₂，n₂⁺， N(I)， Al(I)和Si(II)，分别在375 nm, 391nm, 868 nm, 394 nm和637 nm[7,8]。

图3。SO0N20B-250涂层蒸发过程中的发射光谱。

图4显示了铝硅靶共溅射过程的光谱。所有曲线均为氩(20 sccm)的特征峰;下面的曲线是由于一个纯氩气气氛的过程，在那里我们可以清楚地看到铝(396纳米)的信号。在真空室中除氩气外，还引入了不同通量的氮气(5、10和15 sccm)。我们可以观察氮峰（n₂，n₂⁺和N (I))增加，当氮通量增加时，氩峰值减小。当将氮气通量引入真空室时，我们也观察到没有有效的铝侵蚀（不存在Al峰值），这可能是由于铝 - 硅靶的氮化[9]。为了避免对目标的完全氮化并获得Al蒸发，符合S.当氮通量逐渐增加时，必须对氮通量中Al的排放进行监测。

图4。下曲线为金属模式(使用纯氩)，上曲线为反应模式(使用氩-氮)的铝硅靶溅射获得的发射光谱。

样品SO0N20B-250的典型X射线衍射图案如图5所示。该图形显示多晶硅峰[JCPDS粉末衍射文件27-1402]，由于非晶结构，在22º处有一个宽峰。这一结果表明，该样品是一种复合材料，非晶态Si-Al氧氮化硅和纳米晶Si的混合物，我们知道铝和氮的浓度较低。

图5。SO0N20B-250涂层的x射线衍射图。

考虑到样品是复合材料，我们利用微拉曼系统的光学显微镜选取了三个具有代表性的区域进行测量(图6)。区域1 (R1)对应微山丘特征，区域2 (R2)和区域3 (R3)分别对应微孔和地表主导区域。

图6。SO0N20B-250涂层的光学显微图显示了微拉曼散射测量的选定区域。

对于每个前区域的SO0N20B-250涂层的微拉曼散射光谱如图7所示。三个光谱是类似的曲线，但R2和R3曲线显示出更强烈的峰。

图7。SO0N20B-250涂层三个典型区域的微拉曼散射光谱。

光谱中的主峰在大约521cm处^-1，并且大约308厘米有弱峰^-1对应于Si晶体[10]。峰值在521厘米^-1半宽(半宽)约6.2厘米^-1．该峰与Si球形晶粒模型的数据拟合表明晶粒尺寸约为200 nm。这个峰值被移动了3.3厘米^-1对于无应力的Si晶体。这是[11]中报告的结果的总的外推，由于大约1.4 GPa的压缩应力。鉴于涂层中氮的含量约为3-7 at。%时，部分Si颗粒可能被部分氮化形成SiN_x[12]。在约480cm处观察到的宽而弱的波段^-1是由于非晶硅[10]。已知玻璃体二氧化硅的信号在约1000-1150cm^-1[13]，但在这些光谱中未观察到。从930到1000厘米^-1存在与Al-O-Si反对称振动[13]相关的信号。

结论

在这项工作中，我们控制了三个主要的蒸发参数来生产Si-Al-O-N涂层:氧通量、氮通量和衬底偏压电位。即使在氧气通量中，也可以产生氧气掺入涂层中。引入氮气到真空室允许氮化物涂层的形成，但也氮化物表面的铝靶。铝硅靶与大气共溅射过程中氩气氮，由于Aln的薄膜出现在靶的表面上而受到部分抑制氮的蒸发。尽管在涂层上产生严重偏差的负偏压产生严重的抗腐蚀，但它将氮气吸附到涂层上。微拉曼散射和x射线衍射结果表明，涂层是纳米晶硅硅复合材料欧洲杯足球竞彩_x嵌在非晶态Al-Si-O基体中。

确认

作者感谢Pedro García Jiménez、José Eleazar Urbina Álvarez、Martín Adelaido Hernández Landaverde、Francisco Rodríguez Melgarejo、Agustín Galindo Sifuentes、Rivelino Flores Farías和Ma的技术支持。戴尔·卡门·德尔加多·克鲁兹。同时，我们感谢s.j imenez Sandoval对一些结果的解释所给予的帮助。R. A. Vargas承认Conacyt在他的M. C.计划中指定的奖学金。这项工作得到conacyte - mexico的支持。

参考

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2.W.E. Lee和W.M. Rainforth，“陶瓷微结构”，Chapman and Hall, London (1994)， pp. 388-411。

3.X.-J。刘学文，孙晓伟，张建军，蒲学平，葛庆民，黄立平，板牙。>牛。， 1939-1948。

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5.K. Wasa，S. Hayakawa，“溅射沉积技术手册”，Noyes出版物，纽约（1992）PP。24,118,125-133。

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7.dr . r . Lide，《CRC化学物理手册》，主编，第80版，佛罗里达(1999-2000)。

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9.伯格、拉尔森和H-O。在反应溅射中，氮流作为沉积速率控制的应用”，J. Vac。科学。抛光工艺。4(1986) 594-597。

10.Kanzawa, S Hayashi和K. Yamamoto，“富硅硅的拉曼光谱”₂薄膜:硅团簇形成的可能性”。提供者。物质，8(1996)4823 - 4835。

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12.V.A. Volodin, M. D. Efremov, V.A. Gritsenko, S. A. Kochibei，“SiN中形成的硅纳米晶体的拉曼研究”_x准分子激光或热退火薄膜”，应用。理论物理。列托人。， 73 (1998)

13.R. Le Parc, B. Champignon, J. Dianoux, P. Jarry, V. Martinez。“钙长石和CaAl₂如果₂O₈玻璃:“低拉曼光谱与中子散射”，《非晶体固体学报》，323(2003)155-161。

详细联系方式

雷蒙Alvaro Vargas-Ortiz

Centro de Investigación and de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico national（互）
失去地方
Norponiente第2000号
Fracc。真正的德Juriquilla,
76230年地方
Qro。
墨西哥

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弗朗西斯科哈维尔Espinoza-Beltran

Centro de Investigación and de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico national（互）
失去地方
Norponiente第2000号
Fracc。真正的德Juriquilla,
76230年地方
Qro。
墨西哥

本文还以印刷形式公布的“材料和材料加工技术进步”，Vol。欧洲杯足球竞彩7 [2] 87-90（2005）。