一种氮化钽薄膜及其制备方法与流程

1.本发明涉及电子元件制造技术领域，尤其涉及一种氮化钽薄膜及其制备方法。


背景技术：

2.氮化钽具有高熔点，它的电阻温度系数小、稳定性优良，产业上常用来制备精确片状电阻。氮化钽薄膜是电子元件制备领域的重要组成部分，通常使用溅射法工艺制备氮化钽薄膜。为了获得良好的综合性能，克服单一结构的缺陷，将复合结构引入氮化钽薄膜的制备是一种合适的选择。
3.专利cn 104109844 a公开了一种基于原子层沉积技术的氮化钽薄膜的制作工艺，通过增加nh3等离子体处理基底、ar等离子体处理氮化钽薄层及将旋转基底的步骤，用来减少氮化钽薄膜中的孔洞；但是该专利未对薄膜的硬度进行提升及改进。专利cn 112562946 a提供了一种氮化钽薄膜电阻及其制备方法，采用磁控溅射法形成依次堆叠的氮化钽层及钝化层的复合结构，从而通过钝化层可对氮化钽层进行保护；然而该专利制备的薄膜在实际运用中可能存在界面结合较差的问题，由于晶相结构的不协调可能会降低保护层的使用寿命。


技术实现要素：

4.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所解决的技术问题是：(1)增强氮化钽薄膜的抗氧化性能、耐腐蚀性能，提升薄膜的硬度；(2)优化薄膜层间界面的结合性能。
5.氮化钽是一种具有特殊性质的材料，具备高熔点、高硬度，有一定化学稳定性，能够抵抗水汽的侵蚀，因此被广泛应用于制备精确片状电阻。不同晶体构型的氮化钽性质差别巨大，如ε-氮化钽为黑色的六方结晶，δ-氮化钽为黄绿色的立方结晶；ε-氮化钽相比于δ-氮化钽具备更高的熔点，而后者的硬度可达3200kg/mm2，远高于ε-氮化钽的1100kg/mm2。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种氮化钽薄膜，所述氮化钽薄膜为抗氧化氮化钽薄膜、高硬度氮化钽薄膜中的任意一种。
8.处于实际应用的需要，产业上制备的氮化钽主要为六方构型；为了提升氮化钽薄膜的硬度，防止因磨损产生的损耗，发明人在氮化钽薄膜的表面制备了一层氧化锆膜。氧化锆熔点高、电阻率大，热膨胀系数低，硬度高于ε-氮化钽，作为保护层有良好的综合性能，并且不会影响基材的使用。发明人发现，氧化锆层和氮化钽薄膜的结合与两层间的相结构密切相关，而相结构会收到层厚度的影响；氧化锆层的临界厚度应低于氮化钽薄膜厚度的8％，氧化锆层过厚会导致两相的连续性被破坏，接触面的晶体结构发生变化，致使氧化锆层的硬度等性能下降。发明人控制氧化锆的厚度，有利于共格界面的稳定；同时发明人还发现，斜方晶系的氧化锆的(111)面与六方晶系的ε-氮化钽的(0002)面形成共格相界，此共格相界与氧化锆的(111)面与ε-氮化钽的(111)面形成共格相界相比具有更好的能量优势，有助于相界面的稳定。另外发明人在使用磁控溅射法制备氮化钽过程中通入过量的氮气，与
氮化钽配合在六方相的表面形成更多的成核位点，使后续沉积的氧化锆层提供更致密的生长形貌。
9.优选的，所述抗氧化氮化钽薄膜的制备方法如下：
10.x1使用磁控溅射法，以金属钽作为阴极靶材，以氩气作为工作气体并以电离的氩离子轰击钽靶；使用硅片作为基片，在基片表面沉积得到钽膜，备用；
11.x2使用磁控溅射法，以氮气为反应气体，以电离的氮离子轰击步骤x1得到的钽膜，通过高能的氮离子与钽原子结合，得到氮化钽薄膜，备用；
12.x3使用磁控溅射法，以金属锆作为阴极靶材，以氩气作为工作气体并以电离的氩离子轰击锆靶；将步骤x2得到的氮化钽薄膜作为基片，得到覆锆氮化钽薄膜，备用；
13.x4使用磁控溅射法，以氧气为反应气体，以电离的氧离子轰击步骤x3得到的覆锆氮化钽薄膜，氧离子与锆原子结合形成氧化锆层，得到所述抗氧化氮化钽薄膜。
14.优选的，步骤x1～x4所述磁控溅射法中，磁控溅射的基压均小于2.0
×
10-4
pa，磁控溅射的工作气压均为1.5～3.0
×
10-4
pa。
15.优选的，步骤x1、x3中所述氩气的体积流量均为80～120sccm。
16.优选的，步骤x1、x3中所述氩离子轰击的磁控溅射功率均为75～90w，束流均为150～300ma，加速电压均为200～350v。
17.优选的，步骤x2中所述氮气的体积流量为20～40sccm。
18.优选的，步骤x2中所述氮离子轰击钽靶的磁控溅射功率为140～160w，束流为450～600ma，加速电压为300～425v。
19.优选的，步骤x4中所述氧气的体积流量为15～25sccm。
20.优选的，步骤x4中所述氧离子轰击钽靶的磁控溅射功率为100～115w，束流为200～350ma，加速电压为180～240v。
21.优选的，所述抗氧化氮化钽薄膜中氮化钽层的层厚为200～600nm，氧化锆层的层厚为12～48nm。
22.在长期的生产实践中，发明人观察到，抗氧化氮化钽薄膜的实际硬度、耐腐蚀等性能均低于预期的理论值。发明人对此进行研究并发现，导致上述技术问题的原因在于，本发明氧化锆制备得到的氧化锆晶体结构属于单斜晶系，由于柱状晶的生长使得单斜晶系与六方晶系的ε-氮化钽形成的共格相的稳定性存在缺陷。为了解决这一技术问题，发明人对抗氧化氮化钽薄膜加入后处理，首先将氧化锆的单斜晶系采用放电等离子烧结工序在1100℃以上转变为四方晶型，随后将四方晶型在1900℃以上继续加工转变为立方晶型。经过处理后的面心立方氧化锆的(111)面与六方晶系的(0001)面接触后形成了无缺陷的相干区域，由于共格界面的存在，在解决两相结合问题的同时还能使新制备的氮化钽薄膜具有更高的强度及综合性能；由于氮化钽薄膜远厚于氧化锆，发明人严格控制了放电等离子烧结的加工温度及时间，使原本的氮化钽仍保持为六方结构，而没有转变为立方结构。
23.优选的，所述高硬度氮化钽薄膜的制备方法如下：
24.y1使用磁控溅射法，以金属钽作为阴极靶材，以氩气作为工作气体并以电离的氩离子轰击钽靶；使用硅片作为基片，在基片表面得到钽膜，备用；
25.y2使用磁控溅射法，以氮气为反应气体，以电离的氮离子轰击步骤y1得到的钽膜，通过高能的氮离子与钽原子结合，得到氮化钽薄膜，备用；
26.y3使用磁控溅射法，以金属锆作为阴极靶材，以氩气作为工作气体并以电离的氩离子轰击锆靶；将步骤y2得到的氮化钽薄膜作为基片，得到覆锆氮化钽薄膜，备用；
27.y4使用磁控溅射法，以氧气为反应气体，以电离的氧离子轰击步骤y3得到的覆锆氮化钽薄膜，氧离子与锆原子结合，得到氧化锆层氮化钽薄膜，备用；
28.y5使用放电等离子烧结法，将步骤y4中得到的氧化锆层氮化钽薄膜置于模具，首先在真空条件下将氧化锆层氮化钽薄膜加热至1100～1200℃，向氧化锆层氮化钽薄膜施加压力并静置10～25min；随后通入氮气，继续升温至1900～2200℃；当达到目标温度后，保温静置5～15min，随后释压并以4～8℃/min的速率冷却至室温，冷却完成后得到所述高硬度氮化钽薄膜。
29.优选的，步骤y1～y4所述磁控溅射法中，磁控溅射的基压均小于2.0
×
10-4
pa，磁控溅射的工作气压均为1.5～3.0
×
10-4
pa。
30.优选的，步骤y1、y3中所述氩气的体积流量均为80～120sccm。
31.优选的，步骤y1、y3中所述氩离子轰击的磁控溅射功率均为75～90w，束流均为150～300ma，加速电压均为200～350v。
32.优选的，步骤y2中所述氮气的体积流量为20～40sccm。
33.优选的，步骤y2中所述氮离子轰击钽靶的磁控溅射功率为140～160w，束流为450～600ma，加速电压为300～425v。
34.优选的，步骤y4中所述氧气的体积流量为15～25sccm。
35.优选的，步骤y4中所述氧离子轰击锆靶的磁控溅射功率为100～115w，束流为200～350ma，加速电压为180～240v。
36.优选的，步骤y5中所述压力大小为36～54kn。
37.优选的，步骤y5中氮气的通入量为3～6sccm。
38.优选的，所述高硬度氮化钽薄膜中氮化钽层的层厚为200～600nm，氧化锆层的层厚为12～48nm。
39.在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可以任意组合，即得本发明各较佳实施例。
40.本发明配方中各原料的介绍及作用如下：
41.钽：蓝灰色过渡金属，具备高熔点。钽具有良好的延展性，质地坚硬且抗腐蚀，不与王水发生反应。产业上常用于制造化工器材、真空管、医疗器具或植入物等。本发明中作为靶材。
42.锆：银白色过渡金属，不易被腐蚀，主要用作抗腐蚀的合金。本发明中作为靶材。
43.本发明的有益效果：
44.相比现有技术，本发明使用氧化锆作为氮化钽薄膜的抗氧化层并控制了双层结构的层厚，使双层结合处的共格相界具备良好的连续性及稳定性。
45.与现有技术相比，本发明使用放电等离子烧结工序对氧化锆层进行处理，将氧化锆的晶体结构转变为立方晶型，与六方晶型的氮化钽接触后形成相干区域，使两相的结合更加牢固；并且由于共格界面的存在，氮化钽膜具备了更高的硬度。
具体实施方式
46.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
47.本发明对照例及实施例中部分原材料参数如下：
48.钽靶，φ25.4mm
×
3.175mm，cas号：7440-25-7；
49.锆靶，φ25.4mm
×
3.175mm，cas号：7440-67-7。
50.实施例1
51.一种氮化钽薄膜，所述氮化钽薄膜为抗氧化氮化钽薄膜，采用如下方法制备而成：
52.x1使用磁控溅射法，以金属钽作为阴极靶材，以氩气作为工作气体，氩气的体积流量为80sccm；以电离的氩离子轰击钽靶，氩离子轰击的磁控溅射功率为85w，束流为225ma，加速电压为275v；使用硅片作为基片，在基片表面沉积得到钽膜，备用；
53.x2使用磁控溅射法，以氮气为反应气体，氮气的体积流量为30sccm；以电离的氮离子轰击步骤x1得到的钽膜，氮离子轰击钽靶的磁控溅射功率为150w，束流为525ma，加速电压为375v；通过高能的氮离子与钽原子结合，得到氮化钽薄膜，备用；
54.x3使用磁控溅射法，以金属锆作为阴极靶材，以氩气作为工作气体，氩气的体积流量为80sccm；以电离的氩离子轰击锆靶，氩离子轰击的磁控溅射功率为85w，束流为225ma，加速电压为275v；将步骤x2得到的氮化钽薄膜作为基片，得到覆锆氮化钽薄膜，备用；
55.x4使用磁控溅射法，以氧气为反应气体，氧气的体积流量为20sccm；以电离的氧离子轰击步骤x3得到的覆锆氮化钽薄膜，氧离子轰击钽靶的磁控溅射功率为115w，束流为275ma，加速电压为220v；氧离子与锆原子结合形成氧化锆层，得到所述抗氧化氮化钽薄膜。
56.步骤x1～x4所述磁控溅射法中，磁控溅射的基压均为1.0
×
10-4
pa，磁控溅射的工作气压均为2
×
10-4
pa。
57.所述抗氧化氮化钽薄膜中氮化钽层的层厚为600nm，氧化锆层的层厚为40nm。
58.实施例2
59.一种氮化钽薄膜，所述氮化钽薄膜为高硬度氮化钽薄膜，采用如下方法制备而成：
60.y1使用磁控溅射法，以金属钽作为阴极靶材，以氩气作为工作气体，氩气的体积流量为80sccm；以电离的氩离子轰击钽靶，氩离子轰击的磁控溅射功率为85w，束流为225ma，加速电压为275v；使用硅片作为基片，在基片表面沉积得到钽膜，备用；
61.y2使用磁控溅射法，以氮气为反应气体，氮气的体积流量为30sccm；以电离的氮离子轰击步骤y1得到的钽膜，氮离子轰击钽靶的磁控溅射功率为150w，束流为525ma，加速电压为375v；通过高能的氮离子与钽原子结合，得到氮化钽薄膜，备用；
62.y3使用磁控溅射法，以金属锆作为阴极靶材，以氩气作为工作气体，氩气的体积流量为80sccm；以电离的氩离子轰击锆靶，氩离子轰击的磁控溅射功率为85w，束流为225ma，加速电压为275v；将步骤y2得到的氮化钽薄膜作为基片，得到覆锆氮化钽薄膜，备用；
63.y4使用磁控溅射法，以氧气为反应气体，氧气的体积流量为20sccm；以电离的氧离子轰击步骤y3得到的覆锆氮化钽薄膜，氧离子轰击钽靶的磁控溅射功率为115w，束流为275ma，加速电压为220v；氧离子与锆原子结合，得到氧化锆层氮化钽薄膜，备用；
64.y5使用放电等离子烧结法，将步骤y4中得到的氧化锆层氮化钽薄膜置于模具，首
先在真空条件下将氧化锆层氮化钽薄膜加热至1150℃，向氧化锆层氮化钽薄膜施加45kn的压力并静置15min；随后通入氮气，氮气的通入量为4sccm；继续升温至2000℃；当达到目标温度后，保温静置15min，随后释压并以5℃/min的速率冷却至室温，冷却完成后得到所述高硬度氮化钽薄膜。
65.步骤y1～y4所述磁控溅射法中，磁控溅射的基压均为1.0
×
10-4
pa，磁控溅射的工作气压均为2
×
10-4
pa。
66.所述高硬度氮化钽薄膜中氮化钽层的层厚为600nm，氧化锆层的层厚为40nm。
67.实施例3
68.一种氮化钽薄膜，所述氮化钽薄膜为抗氧化氮化钽薄膜，采用如下方法制备而成：
69.x1使用磁控溅射法，以金属钽作为阴极靶材，以氩气作为工作气体，氩气的体积流量为80sccm；以电离的氩离子轰击钽靶，氩离子轰击的磁控溅射功率为85w，束流为225ma，加速电压为275v；使用硅片作为基片，在基片表面沉积得到钽膜，备用；
70.x2使用磁控溅射法，以氮气为反应气体，氮气的体积流量为30sccm；以电离的氮离子轰击步骤x1得到的钽膜，氮离子轰击钽靶的磁控溅射功率为150w，束流为525ma，加速电压为375v；通过高能的氮离子与钽原子结合，得到氮化钽薄膜，备用；
71.x3使用磁控溅射法，以金属锆作为阴极靶材，以氩气作为工作气体，氩气的体积流量为80sccm；以电离的氩离子轰击锆靶，氩离子轰击的磁控溅射功率为85w，束流为225ma，加速电压为275v；将步骤x2得到的氮化钽薄膜作为基片，得到覆锆氮化钽薄膜，备用；
72.x4使用磁控溅射法，以氧气为反应气体，氧气的体积流量为20sccm；以电离的氧离子轰击步骤x3得到的覆锆氮化钽薄膜，氧离子轰击钽靶的磁控溅射功率为115w，束流为275ma，加速电压为220v；氧离子与锆原子结合形成氧化锆层，得到所述抗氧化氮化钽薄膜。
73.步骤x1～x4所述磁控溅射法中，磁控溅射的基压均为1.0
×
10-4
pa，磁控溅射的工作气压均为2
×
10-4
pa。
74.所述抗氧化氮化钽薄膜中氮化钽层的层厚为600nm，氧化锆层的层厚为60nm。
75.实施例4
76.一种氮化钽薄膜，所述氮化钽薄膜为抗氧化氮化钽薄膜，采用如下方法制备而成：
77.x1使用磁控溅射法，以金属钽作为阴极靶材，以氩气作为工作气体，氩气的体积流量为80sccm；以电离的氩离子轰击钽靶，氩离子轰击的磁控溅射功率为85w，束流为225ma，加速电压为275v；使用硅片作为基片，在基片表面沉积得到钽膜，备用；
78.x2使用磁控溅射法，以氮气为反应气体，氮气的体积流量为20sccm；以电离的氮离子轰击步骤x1得到的钽膜，氮离子轰击钽靶的磁控溅射功率为150w，束流为525ma，加速电压为375v；通过高能的氮离子与钽原子结合，得到氮化钽薄膜，备用；
79.x3使用磁控溅射法，以金属锆作为阴极靶材，以氩气作为工作气体，氩气的体积流量为80sccm；以电离的氩离子轰击锆靶，氩离子轰击的磁控溅射功率为85w，束流为225ma，加速电压为275v；将步骤x2得到的氮化钽薄膜作为基片，得到覆锆氮化钽薄膜，备用；
80.x4使用磁控溅射法，以氧气为反应气体，氧气的体积流量为20sccm；以电离的氧离子轰击步骤x3得到的覆锆氮化钽薄膜，氧离子轰击钽靶的磁控溅射功率为115w，束流为275ma，加速电压为220v；氧离子与锆原子结合形成氧化锆层，得到所述抗氧化氮化钽薄膜。
81.步骤x1～x4所述磁控溅射法中，磁控溅射的基压均为1.0
×
10-4
pa，磁控溅射的工
作气压均为2
×
10-4
pa。
82.所述抗氧化氮化钽薄膜中氮化钽层的层厚为600nm，氧化锆层的层厚为40nm。
83.实施例5
84.一种氮化钽薄膜，所述氮化钽薄膜为高硬度氮化钽薄膜，采用如下方法制备而成：
85.y1使用磁控溅射法，以金属钽作为阴极靶材，以氩气作为工作气体，氩气的体积流量为80sccm；以电离的氩离子轰击钽靶，氩离子轰击的磁控溅射功率为85w，束流为225ma，加速电压为275v；使用硅片作为基片，在基片表面沉积得到钽膜，备用；
86.y2使用磁控溅射法，以氮气为反应气体，氮气的体积流量为30sccm；以电离的氮离子轰击步骤y1得到的钽膜，氮离子轰击钽靶的磁控溅射功率为150w，束流为525ma，加速电压为375v；通过高能的氮离子与钽原子结合，得到氮化钽薄膜，备用；
87.y3使用磁控溅射法，以金属锆作为阴极靶材，以氩气作为工作气体，氩气的体积流量为80sccm；以电离的氩离子轰击锆靶，氩离子轰击的磁控溅射功率为85w，束流为225ma，加速电压为275v；将步骤y2得到的氮化钽薄膜作为基片，得到覆锆氮化钽薄膜，备用；
88.y4使用磁控溅射法，以氧气为反应气体，氧气的体积流量为20sccm；以电离的氧离子轰击步骤y3得到的覆锆氮化钽薄膜，氧离子轰击钽靶的磁控溅射功率为115w，束流为275ma，加速电压为220v；氧离子与锆原子结合，得到氧化锆层氮化钽薄膜，备用；
89.y5使用放电等离子烧结法，将步骤y4中得到的氧化锆层氮化钽薄膜置于模具，在真空条件下将氧化锆层氮化钽薄膜加热至1150℃，向氧化锆层氮化钽薄膜施加45kn的压力并静置15min；随后通入氮气，氮气的通入量为4sccm；释压并以5℃/min的速率冷却至室温，冷却完成后得到所述高硬度氮化钽薄膜。
90.步骤y1～y4所述磁控溅射法中，磁控溅射的基压均为1.0
×
10-4
pa，磁控溅射的工作气压均为2
×
10-4
pa。
91.所述高硬度氮化钽薄膜中氮化钽层的层厚为600nm，氧化锆层的层厚为40nm。
92.实施例6
93.一种氮化钽薄膜，所述氮化钽薄膜为高硬度氮化钽薄膜，采用如下方法制备而成：
94.y1使用磁控溅射法，以金属钽作为阴极靶材，以氩气作为工作气体，氩气的体积流量为80sccm；以电离的氩离子轰击钽靶，氩离子轰击的磁控溅射功率为85w，束流为225ma，加速电压为275v；使用硅片作为基片，在基片表面沉积得到钽膜，备用；
95.y2使用磁控溅射法，以氮气为反应气体，氮气的体积流量为30sccm；以电离的氮离子轰击步骤y1得到的钽膜，氮离子轰击钽靶的磁控溅射功率为150w，束流为525ma，加速电压为375v；通过高能的氮离子与钽原子结合，得到氮化钽薄膜，备用；
96.y3使用磁控溅射法，以金属锆作为阴极靶材，以氩气作为工作气体，氩气的体积流量为80sccm；以电离的氩离子轰击锆靶，氩离子轰击的磁控溅射功率为85w，束流为225ma，加速电压为275v；将步骤y2得到的氮化钽薄膜作为基片，得到覆锆氮化钽薄膜，备用；
97.y4使用磁控溅射法，以氧气为反应气体，氧气的体积流量为20sccm；以电离的氧离子轰击步骤y3得到的覆锆氮化钽薄膜，氧离子轰击钽靶的磁控溅射功率为115w，束流为275ma，加速电压为220v；氧离子与锆原子结合，得到氧化锆层氮化钽薄膜，备用；
98.y5使用放电等离子烧结法，将步骤y4中得到的氧化锆层氮化钽薄膜置于模具，在真空条件下将氧化锆层氮化钽薄膜加热至2000℃，向氧化锆层氮化钽薄膜施加45kn的压力
并静置15min；随后通入氮气，氮气的通入量为4sccm；释压并以5℃/min的速率冷却至室温，冷却完成后得到所述高硬度氮化钽薄膜。
99.步骤y1～y4所述磁控溅射法中，磁控溅射的基压均为1.0
×
10-4
pa，磁控溅射的工作气压均为2
×
10-4
pa。
100.所述高硬度氮化钽薄膜中氮化钽层的层厚为600nm，氧化锆层的层厚为40nm。
101.对照例1
102.一种氮化钽薄膜，采用如下方法制备而成：
103.z1使用磁控溅射法，以金属钽作为阴极靶材，以氩气作为工作气体，氩气的体积流量为80sccm；以电离的氩离子轰击钽靶，氩离子轰击的磁控溅射功率为85w，束流为225ma，加速电压为275v；使用硅片作为基片，在基片表面沉积得到钽膜，备用；
104.z2使用磁控溅射法，以氮气为反应气体，氮气的体积流量为30sccm；以电离的氮离子轰击步骤z1得到的钽膜，氮离子轰击钽靶的磁控溅射功率为150w，束流为525ma，加速电压为375v；通过高能的氮离子与钽原子结合，得到所述氮化钽薄膜。
105.步骤z1、z2所述磁控溅射法中，磁控溅射的基压均为1.0
×
10-4
pa，磁控溅射的工作气压均为2
×
10-4
pa。
106.所述氮化钽薄膜的层厚为600nm。
107.测试例1
108.本发明中各实施例的硬度通过显微维氏硬度计(hv-1000型，杭州标克光电科技有限公司提供)测量得到。测试操作参考jjf 1249-1990《维氏硬度基准操作技术规范》中的具体要求进行。测试的加荷速度为0.2mm/s，相对面夹角为136
°
，试验力的保持时间为30s。测试温度为23℃，相对湿度50％。试样为尺寸为15mm
×
15mm的方形薄膜，每组准备5件试样，结果取平均值。硬度测试结果见表1。
109.表1
[0110] 硬度(mpa)实施例11228实施例21367实施例3932实施例4974实施例5887实施例6863对照例1159
[0111]
硬度反映了材料抵抗硬物压入其表面的能力。为了减少使用中造成的破坏或损耗，氮化钽薄膜需要具备高硬度。通过上述实施例和对照例的对比可以看出，实施例2具备最优的硬度。其原因可能在于，氧化锆的单斜晶系通过放电等离子烧结工序的处理转变为立方晶型，其(111)面与六方晶系的(0001)面接触后形成了无缺陷的相干区域，由于共格界面的存在，提高了薄膜的硬度。
[0112]
测试例2
[0113]
采用周期浸润腐蚀法对本发明的耐腐蚀性能进行测试，测试仪器为全自动周期浸润腐蚀试验箱(yf-c1型，淮安市中亚试验设备有限公司)。测试用腐蚀溶液为浓度为35g/l
的氢氧化钾的水溶液。每组准备5件矩形试样，试样尺寸为90mm
×
120mm。测试总时长为720h，以1h为一个循环周期；每周期中，试样浸泡于腐蚀溶液的时间为10min，暴露于空气的时间为50min。测试的环境温度为25℃，相对湿度50％。记录测试前的试样质量，将测试后的试样经过水洗、醇洗、干燥，称量得到测试后的试样质量，计算得到试样的质量损失率，每组结果取平均值。耐腐蚀性能测试结果见表2。
[0114]
表2
[0115] 质量损失率(％)实施例11.3实施例20.9实施例34.2实施例43.7实施例57.1实施例67.6对照例111.6
[0116]
为了防止腐蚀损耗并延长使用寿命，在耐腐蚀性能测试中薄膜的质量损失率最低代表其具备更优的耐腐蚀能力。通过上述实施例和对照例的对比可以看出，实施例2具备最优秀的耐腐蚀性能，其原因可能在于，氧化锆层给予薄膜保护，有助于薄膜耐腐蚀能力的提升；另外通过控制两层的厚度，层间接触面内，两相具有良好的连续性，有利于共格界面的稳定，减少了结构缺陷，使腐蚀性物质难以侵入；氧化锆的单斜晶系通过放电等离子烧结工序的处理转变为立方晶型，其(111)面与六方晶系的(0001)面接触后形成了无缺陷的相干区域，进一步地提升了双层结构的结合能力。

技术特征：
1.一种氮化钽薄膜，其特征在于：所述氮化钽薄膜为抗氧化氮化钽薄膜、高硬度氮化钽薄膜中的任意一种；所述抗氧化氮化钽薄膜的制备方法如下：x1使用磁控溅射法，以金属钽作为阴极靶材，以氩气作为工作气体并以电离的氩离子轰击钽靶；使用硅片作为基片，在基片表面沉积得到钽膜，备用；x2使用磁控溅射法，以氮气为反应气体，以电离的氮离子轰击步骤x1得到的钽膜，通过高能的氮离子与钽原子结合，得到氮化钽薄膜，备用；x3使用磁控溅射法，以金属锆作为阴极靶材，以氩气作为工作气体并以电离的氩离子轰击锆靶；将步骤x2得到的氮化钽薄膜作为基片，得到覆锆氮化钽薄膜，备用；x4使用磁控溅射法，以氧气为反应气体，以电离的氧离子轰击步骤x3得到的覆锆氮化钽薄膜，氧离子与锆原子结合形成氧化锆层，得到所述抗氧化氮化钽薄膜。2.根据权利要求1所述的一种氮化钽薄膜，其特征在于：步骤x1～x4所述磁控溅射法中，磁控溅射的基压均小于2.0
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10-4
pa，磁控溅射的工作气压均为1.5～3.0
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10-4
pa。3.根据权利要求1所述的一种氮化钽薄膜，其特征在于：步骤x1、x3中所述氩气的体积流量均为80～120sccm。4.根据权利要求1所述的一种氮化钽薄膜，其特征在于：步骤x1、x3中所述氩离子轰击的磁控溅射功率均为75～90w，束流均为150～300ma，加速电压均为200～350v。5.根据权利要求1所述的一种氮化钽薄膜，其特征在于：步骤x2中所述氮气的体积流量为20～40sccm。6.根据权利要求1所述的一种氮化钽薄膜，其特征在于：步骤x2中所述氮离子轰击钽靶的磁控溅射功率为140～160w，束流为450～600ma，加速电压为300～425v。7.据权利要求1所述的一种氮化钽薄膜，其特征在于：步骤x4中所述氧气的体积流量为15～25sccm。8.据权利要求1所述的一种氮化钽薄膜，其特征在于：步骤x4中所述氧离子轰击钽靶的磁控溅射功率为100～115w，束流为200～350ma，加速电压为180～240v。9.据权利要求1所述的一种氮化钽薄膜，其特征在于：所述抗氧化氮化钽薄膜中氮化钽层的层厚为200～600nm，氧化锆层的层厚为12～48nm。

技术总结
本发明公开了一种氮化钽薄膜及其制备方法，所述氮化钽薄膜由氧化锆保护层及氮化钽基底组成。本发明采用磁控溅射法制备双层结构薄膜，并结合放电等离子烧结工序对氧化锆层进行处理，将氧化锆的晶型进行转变以适应基底的晶相结构。本发明优化了制备工序，在薄膜层间形成了无缺陷的相干区域，由于共格界面的存在，解决了两相结合问题的同时，还能使氮化钽薄膜具有更高的强度及综合性能。具有更高的强度及综合性能。


技术研发人员：闫广平
受保护的技术使用者：北京朝歌汉荣科技有限公司
技术研发日：2021.11.22
技术公布日：2022/3/7