钛材在航空航天领域具有广泛的应用，对其性能提出了更高的要求，宝钢、西北有色院等大量研究了变形和热处理制度对钛材组织和性能的影响[1-2]。TiN薄膜具有高的耐磨性、高的硬度、低的电阻率，可阻挡扩散以及呈现独特的金黄色等特点，广泛应用于工模具、一些装饰材料的表面处理和集成电路产业的阻挡扩散层等。自其问世以来，有效提高了加工效率和加工质量。一些学者对不同工艺，如氮气流量、偏压等工艺参数对TiN薄膜的微观结构、成分和性能的影响进行了深入研究[3-7]，而对钛靶材微观结构对薄膜性能影响的研究较少[8-9]。基于此，本文采用不同工艺制度制作了微观结构不同的四种钛靶，在同一溅射工艺下，在高速钢基底上沉积了TiN薄膜，分析了钛靶材的微观结构以及TiN薄膜的表面形貌、成分、断口、纳米硬度和相结构，探讨了Ti靶材的微观结构与其溅射生成的TiN薄膜的微观结构和性能的关系，并进一步分析了原因。
1、试验材料与分析
试验采用的镀膜设备是四川大学自制PEMS-800型PVD磁控溅射镀膜机。镀膜过程中的工作气体为高纯氩气和氮气，在沉积薄膜之前先对靶材进行离子刻蚀清洗。选用的靶材为不同微观结构的纯钛靶，这四种靶材采用同一镀膜工艺沉积薄膜，选用的基体为高速钢基体，TiN薄膜镀膜工艺为：本底真空度为3.7×10-4Pa，基体偏压35V，溅射气压为0.5Pa，氩气流量比为85sccm，氮气体流量比为35sccm，沉积时间300min，靶电流为5.0A，靶材到高速钢基体的距离为200mm。
采用FEI的NovaNanoSEM450场发射扫描电镜观察薄膜的表面形貌；采用美国Veeco公司的原子力显微镜观察涂层的表面形貌，计算涂层的表面粗糙度。选用美国Aglient公司的纳米硬度仪（NanoIndenterXP）测定涂层的纳米硬度，测试方法是连续刚度法。采用X射线衍射仪(Philips，Holland)分析了两种靶材及其薄膜的相结构，衍射时选用Cu靶（λ=1.54056Å）。
2、结果与讨论
2.1钛靶的微观结构
钛有两种同素异构体α-Ti和β-Ti，α-Ti在882℃以下稳定，为密排六方结构；β-Ti在882℃与熔点1678℃之间稳定存在，为体心立方结构。在882℃两者发生转变。本研究采用不同轧制工艺和热处理制度生产了四种不同微观组织的钛靶，从靶材的轧制面（靶材的溅射面）取10mm×10mm样品，采用金相显微镜分析了金相，见图1。图1（a）～（c）中A、B和C靶是α等轴组织及少量的晶间β（暗），平均晶粒尺寸分别为48、153、230μm；图1（d）中D靶是粗大的原始β晶粒，晶界清晰完整，有连续的晶界α镶边，在β晶粒内有细长平直、互相平行的片状β转变组织，即片状α相，是典型的魏氏组织[10-11]，α晶粒的平均晶粒尺寸为520μm，片层厚度约为10μm。
2.2TiN薄膜结构和性能分析
2.2.1TiN薄膜表面扫描电镜形貌分析
图2是四种微观结构不同钛靶反应溅射得到的TiN薄膜SEM表面形貌。可看出，薄膜A表面颗粒尺寸最大，薄膜C次之，薄膜D表面颗粒尺寸最小。
随着等轴晶Ti靶晶粒尺寸逐渐变大，薄膜表面的液滴数量先变少后变多，以魏氏组织Ti靶反应溅射生成的TiN薄膜表面的液滴数量最多。随着等轴晶Ti靶晶粒尺寸的逐渐变大，薄膜表面颗粒尺寸先变小后变大，以魏氏组织Ti靶反应溅射生成的TiN薄膜（见图2（d））表面颗粒尺寸最小，此分析与后文薄膜表面AFM的分析结果一致。
2.2.2TiN薄膜表面原子力显微镜分析
从图3薄膜的原子力显微图像来看，薄膜A表面颗粒顶部尺寸较尖，薄膜B表面颗粒顶部次之，薄膜C和薄膜D表面颗粒顶部较为圆滑。薄膜A的凸起颗粒尺寸较大，薄膜B的凸起颗粒尺寸次之，薄膜D的凸起颗粒尺寸最小。这说明在溅射工艺相同的情况下，薄膜的表面微观结构存在差别。
根据图4薄膜表面颗粒的大小曲线，薄膜A表面的颗粒尺寸最大，薄膜B表面的颗粒尺寸次之，薄膜D表面的颗粒尺寸最小。从用原子力显微镜测得的薄膜表面的粗糙度（图4）来看，薄膜A表面的粗糙度最高，薄膜B的表面粗糙度次之，薄膜D的表面粗糙度最小。随着等轴晶Ti靶晶粒尺寸的逐渐变大，薄膜表面颗粒尺寸先变小后变大；而以魏氏组织Ti靶反应溅射生成的TiN薄膜表面颗粒尺寸最小；随着等轴晶Ti靶晶粒尺寸的逐渐变大，薄膜表面粗糙度逐渐变小；以魏氏组织Ti靶反应溅射生成的TiN薄膜表面表面粗糙度最小。此分析与前文薄膜表面SEM的分析结果一致。
2.2.3薄膜化学成分分析
表1是TiN薄膜的化学成分。可看出，薄膜D中N含量最高，薄膜A中N含量次之，薄膜B中N含量最低，但薄膜A、B和C中N含量相差不大。
随着等轴晶钛靶晶粒尺寸的变大，薄膜中的N含量先降低后升高；而以魏氏组织钛靶所沉积薄膜的N含量最高。
2.2.4TiN薄膜断口分析
从图5薄膜的断口分析可看出四种薄膜具有相似的结构，柱状晶明显，薄膜沿柱状晶方向生长，从底部一直生长到薄膜表面。薄膜A的柱状晶尺寸最大，薄膜C的柱状晶尺寸次之，薄膜B的柱状晶尺寸最小，魏氏组织钛靶沉积薄膜D的柱状晶尺寸介于薄膜C和薄膜B之间。随着等轴晶Ti靶晶粒尺寸的逐渐变大，Ti靶反应溅射生成的TiN薄膜的柱状晶的尺寸基本先变小后变大。魏氏组织Ti靶反应生成的TiN薄膜断口与等轴晶Ti靶反应生成的TiN薄膜无明显的区别。
从图6薄膜的厚度曲线可看出，薄膜A的厚度略大于薄膜C的厚度，薄膜D的厚度最小，说明薄膜D的沉积速率低于薄膜A、B和C。随着等轴晶Ti靶晶粒尺寸的逐渐变大,反应溅射生成的TiN薄膜的的厚度先变小后变大；魏氏组织Ti靶反应生成的TiN薄膜厚度小于等轴晶Ti靶反应生成的TiN薄膜。
2.2.5TiN薄膜的硬度
图7是不同薄膜的硬度。可看出，薄膜A的硬度略高于薄膜B的硬度，薄膜C的硬度远高于薄膜A和薄膜B的硬度，在四种薄膜中硬度最高，薄膜D的硬度低于薄膜C的硬度，但高于薄膜A和薄膜B的硬度。随着等轴晶Ti靶晶粒尺寸的逐渐变大，反应溅射生成的TiN薄膜的硬度先变小后变大，而魏氏组织钛靶沉积薄膜D的硬度介于薄膜C与A之间。
2.2.6薄膜的相结构分析
从图8薄膜的相结构分析来看，A、B、C、D薄膜的相结构中TiN的（111）峰最强，但A薄膜中还包含TiN的（200）、（220）峰，Ti2N的（200）、（303）峰，其中TiN的（220）峰和Ti2N的（200）峰是次强峰；B薄膜中还包含Ti2N的（200）和（303）峰，Ti2N的（200）峰与A薄膜中相当；C薄膜中仅含有微量的TiN的（200）峰和Ti2N的（303）峰，并且非常微弱，（111）取向最明显，强度最大；D薄膜中除TiN（111）、Ti2N峰之外，无其它峰不明显，（111）取向明显，但其衍射峰的强度小于薄膜C衍射峰的强度。
2.3讨论
通过对比分析微观结构不同的钛靶沉积得到的TiN薄膜的结构与性能，发现钛靶微观结构的变化对薄膜结构和性能有很大影响。随着等轴晶钛靶晶粒尺寸的变大，TiN薄膜的粗糙度逐渐变小，这是由于Ti靶晶粒小，晶界大量存在，靶材溅射速率较大，溅射产生的粒子多，反溅射弱，沉积速度较快，故表面粗糙度较大；反之，粗糙度较低。薄膜柱状晶的尺寸与薄膜的厚度存在关联，薄膜越厚，柱状晶尺寸越大；薄膜的厚度越薄，柱状晶尺寸越小；表面颗粒尺寸逐渐变小，硬度先变大后变小，这与靶材的沉积速率，粒子的沉积能量以及与反应气体的反应程度有关。魏氏组织Ti靶沉积的TiN薄膜，兼具大晶粒等轴晶靶材和小晶粒等轴晶靶材的特征，得到的TiN薄膜表面光滑，表面颗粒细小，柱状晶细小，TiN薄膜纳米硬度仅低于靶材C沉积的TiN薄膜的纳米硬度。薄膜的硬度与薄膜中的氮含量关系不大，主要与薄膜中TiN（111）的择优取向程度有关，择优取向度越高，硬度越高。
3、结论
（1）Ti靶材的微观结构影响其沉积的TiN薄膜的微观结构和性能。等轴晶Ti靶的晶粒尺寸越大，所沉积的TiN薄膜的表面粗糙度越小，表面液滴数量先变少后变多，表面颗粒尺寸先变小后变大，膜中氮含量先降低后升高，柱状晶尺寸先变小后变大，薄膜厚度先变小后变大，硬度先变小后变大。
（2）魏氏组织Ti靶沉积的薄膜，兼具大晶粒等轴晶靶材和小晶粒等轴晶靶材的特征。沉积得到的TiN薄膜在四种薄膜中，表面粗糙度最低，表面液滴数量最少，表面颗粒尺寸最小，薄膜中氮含量最高，柱状晶尺寸居中，薄膜厚度最小，硬度仅次于薄膜C的硬度。
（3）由于靶材的微观结构不同，造成溅射时产生的粒子的能量、数量，薄膜沉积速率、反溅射能力等溅射行为的差别，以致产生薄膜结构和性能的差别。薄膜的硬度与薄膜中氮含量相关不大，主要与薄膜中TiN（111）的择优取向程度有关，择优取向度越高，硬度越高。
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