溅射电流对磁控溅射CrNx薄膜结构与性能的影响.pdf

助 能 财 彳牛 溅射电流对磁控溅射CrNz薄膜结构与性能的影响。 孔庆花1’2，吉 利1，李红轩1，刘晓红1，陈建敏1，周惠娣1 (1．中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，甘肃兰州730000； 2．中国科学院研究生院，北京100049) 摘 要： 采用非平衡磁控溅射技术在不锈钢以及单 晶硅基体上制备了CrN，薄膜，并利用X射线衍射仪 已有的研究结果表明L3’6侣]，在溅射过程中，溅射电 (XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、能量色散X射线 流、基体偏压和氮气分压等工艺条件决定了CrN：薄 能谱仪(EDS)和纳米压痕仪对薄膜的结构和性能进行膜的结构从而对其性能有重要影响。目前，有关基体 了表征。结果表明，随着溅射电流的增大，薄膜中N／ 偏压和氮气分压的研究较多，但是基于溅射电流的研 Cr比值减小，相组成由CrN(200)向Cr：N(111)转变； 究较少。本实验中，采用中频非平衡磁控溅射技术制 晶粒尺寸减小，柱状结构消失，结构变得致密；由于在 备了CrN，薄膜，系统研究了溅射电流对薄膜的物相 大溅射电流下，易于形成Cr：N高硬度相，而且形成的 组成、化学组成、表面形貌和机械性能的影响，并探讨 薄膜晶粒细小、结构致密，所以硬度值随溅射电流单调 了溅射电流的作用机理。 升高，在21A时达到最高，为21GPa。 关键词： 氮化铬薄膜；磁控溅射；溅射电流；微结构； 2 实 验 硬度 采用实力源公司生产的中频磁控溅射设备在AI— 中图分类号：TGl74．444；TB43文献标识码：A 文章编号：1001-9731(2010)12—2202—04 积CrN，薄膜。基体经无水乙醇和丙酮分别超声清洗 1 引 言 近年来，CrN薄膜因其高的硬度、优异的耐磨性和 采用高能Ar+轰击样品表面以去除表面的氧化层并获 高温抗氧化性fl-a]而引起人们的广泛关注。一方面， 与已经广泛应用的TiN薄膜相比，CrN薄膜具有耐腐 蚀性好、内应力低、化学稳定性好[43等优势。同时， CrN薄膜溅射产额比较高，有利于大批量的工业生产， 了便于比较，薄膜厚度控制在4弘m左右。 更具有实际意义[5]。另一方面，CrN薄膜又是电镀硬 X’Pert—MRD 利用Philips X—ray 铬很好的代替品，它没有电镀铬产生的高污染物 和EDS分析薄膜的物相组成和化学组成；利用 (Cr+6)。因此，CrN薄膜优异的综合性能使其广泛应 用于模具和切削工具的表面强化、表面防腐等许多工 构；利用MicroXAM型非接触三维表面轮廓仪测试 业领域【6】，而且在一定的领域有望替代TiN薄膜和电 薄膜的厚度，根据沉积时间，计算沉积速率。薄膜的纳 镀铬。 米硬度通过Hysitron公司原位纳米力学测试系统测 目前，人们主要采用物理气相沉积(PVD)的方法 试，压入深度为薄膜厚度的1／10。 来制备CrN薄膜。PVD制备方法主要有多弧离子 镀、真空电弧蒸发和磁控溅射，其中磁控溅射作为一种 3结果与讨论 高速率沉积手段备受工业界的蓖视。但是，传统的直 3．1