脉冲电压对HPPMS制备CrN薄膜的组织结构与力学性能的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)广东工业大学机电工程学院 作者:夏飞

  采用复合高功率脉冲磁控溅射技术在单晶Si 片、高速钢和玻璃上制备CrN 薄膜。分别研究了脉冲电压在500,600, 700, 750 V 时对薄膜的组织结构和力学性能的影响。结果表明,随着脉冲电压的增加,靶材离化率增加,靶电流以及溅射原子离子数量级能量均增大,使得沉积的薄膜组织结构更加致密,晶粒逐渐细化,表面更加光滑,硬度提高。高功率脉冲磁控溅射技术具备了磁控溅射技术制备的薄膜表面光滑优势,以及电弧离子镀高离化率特点,获得了结构性能优异的CrN 薄膜。

  相对于应用广泛的TiN 薄膜,CrN 薄膜除同样具有较高的硬度及热稳定性外,还具有更低的摩擦系数和残余应力,以及更优异的韧性和耐腐蚀性能,被广泛应用与各种抗磨损场合,如内燃机活塞环的耐磨、耐腐蚀镀层。目前CrN 薄膜的制备方法主要是电弧离子镀和直流磁控溅射,电弧离子镀具有离化率高、沉积速率快、附着力好等优点,但是弧源提供的金属等离子体中存在大量液滴,导致被沉积薄膜表面存在大颗粒,严重影响薄膜表面粗糙度;而磁控溅射靶材离化率低,金属大多以原子状态存在,导致膜基结合力较差,涂层易剥落失效。磁控溅射和多弧离子镀技术都不可避免地存在一些缺点,为了研发更多实用的高质量涂层及其在工业的推广,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为探讨新型涂层制备技术已成为涂层领域的迫切需求。

  高功率脉冲磁控溅射( High power pulse magnetron sputtering,HPPMS) 是利用较高的脉冲峰值电压和较低的脉冲占空比来产生高溅射金属离化率的一种磁控溅射技术,它具备了电弧离子镀高的离化率和直流磁控溅射无大颗粒的优势,可以制备出表面光滑且结构致密的薄膜,对薄膜的性能改善具有重要意义。本文采用HPPMS技术制备CrN硬质薄膜,重点研究电源脉冲电压对CrN薄膜的结构和性能的影响。

1、实验方法

  镀膜采用的设备为自主研制的磁过滤阴极真空电弧复合磁控溅射镀膜机,HPPMS 系统如图1 所示,其中高功率脉冲电源采用的是哈尔滨工业大学研制的直流复合脉冲电源。复合直流一方面针对靶材进行预离化,另一方面能够提高沉积速率。阴极靶采用的是纯度为99.99% 的Cr 靶,基体材料分别采用(100) 单晶Si 片、不锈钢片以及玻璃片。其中单晶硅片用来表征薄膜形貌,不锈钢片用来测试薄膜力学性能,玻璃片用来扫描X 射线衍射(XRD) 。先将基片在丙酮里超声清洗15 min,吹风机吹干后再在酒精里超声清洗15 min,然后将基片固定在真空腔室中的样品支架上,通过支架的公转系统将基片移动到正对磁控靶材的位置,待真空室的真空度达到3. 0 ×10 -3 Pa 以下时开始实验。首先向腔内通入纯度为99.99%的高纯Ar 气,使气压达到1.33 Pa,向基体施加350 V 负偏压利用辉光放电对基体刻蚀30min。然后调整Ar 流量为50 mL /min(标准状态) ,使腔内气压为0.2 Pa,开启高功率脉冲电源,调整直流电流为3 A,脉宽200 μs,频率50 HZ,脉冲电压为700 V,基体偏压为- 100 V,沉积Cr 过渡层,时间为3 min。最后沉积CrN 薄膜,Ar 气流量为50 mL /min,N2气流量为20 mL /min,脉冲偏压分别采用500,600,700,750 V,电源其它参数及基体偏压与过渡层沉积工艺相同,镀膜时间为30 min。

  上述实验过程中基体正对靶材且不旋转。采用Hitachi 公司S-4800 场发射扫描电镜(FESEM) 观察薄膜表面和截面的微观形貌。薄膜的相组成采用德国布鲁克公司D8 Advance X 射线衍射( XRD) 仪测试。薄膜的纳米硬度以及弹性模量采用美国MTS 公司NANO G200 纳米压痕仪测试,采用动态实时加载卸载模式,压入深度为300 nm,为了减小基底对测量结果的影响,取压入深度为膜厚的1 /10 处为测量值,每个样品均对4 个测点取平均值。采用原子力显微镜( AFM) 测量薄膜表面的粗糙度。采用美国center for tribology 公司生产的UMT-3 多功能摩擦磨损试验机测试摩擦磨损,用轮廓仪扫描划痕轮廓曲线计算薄膜的磨损率,用维氏硬度计压痕表征薄膜的韧性。

HIPIMS系统示意图

图1 HIPIMS 系统示意图

3、结论

  本文采用HPPMS 制备CrN 薄膜,通过改变高功率脉冲电源中的脉冲电压参数,研究靶电流放电特性以及薄膜结构、力学性能的变化,得出以下结论:随着脉冲电压的增加,阴极靶材附近的电流大幅度上升,靶材表面等离子浓度增大; 薄膜由CrN( 111) 、CrN( 200) 、CrN( 220) 相组成,脉冲电压改变不影响薄膜的相组成,随着脉冲电压的增加衍射峰变宽,峰位向大角度偏移,表明晶格常数变小、晶粒变细; 在脉冲电压为750 V 时薄膜的晶粒最细,结构最致密,且表面光滑; 通过HPPMS 技术获得了硬度为18. 5GPa 的CrN 薄膜,与直流磁控溅射相比,薄膜硬度大幅度提升。

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